又帅又牛！他，「国家高层次青年人才」，博士毕业2年即任博导，半年内第四篇Nature大子刊！
光致电荷分离之后会生成两个自旋关联的自由基，它们被称为自由基对（RPs）。自由基对具有单线态和三线态自旋构型，它们之间的相互转换是一个真正意义上的量子相干过程。更重要的是，该转换过程可以通过施加外磁场进行调控。当对自由基对施加外磁场后，体系发生的物理过程往往涉及多种复杂相互作用，包含外磁场塞曼效应、自旋交换相互作用、偶极相互作用、电子-原子核的超精细相互作用等。这种磁场效应在自旋化学、量子生物学、量子传感等领域备受关注。
研究人员曾指出磁场效应在动物导航中的重要作用，比如，迁徙动物利用地磁场对体内光生自由基对的三线态复合产率进行相干调节，继而触发传感信号级联过程，实现精准导航。受此启发，有机分子构成的自由基对的磁场效应被广泛研究，然而其磁场效应普遍较弱，且很难获得普适性的调控规律。
针对以上问题，中国科学院大连化学物理研究所吴凯丰研究员与朱井义副研究员团队直接观测到量子点-有机分子构成的杂化自由基对的量子相干特性，并实现了三线态光化学产率的高效磁场相干调控。
研究团队通过构建II-VI族量子点-茜素分子杂化体系，并基于磁场调制的飞秒瞬态吸收光谱及量子动力学理论模拟，系统揭示了杂化自由基对三线态复合动力学的相干行为。相关成果以“Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids”为题发表在最新一期的Nature Materials上。
值得注意的是，吴凯丰老师半年内已发表4篇Nature大子刊，质量极高！
2024年7月1日，大连化物所吴凯丰教授等人发表关于胶体钙钛矿量子点中的量子相干现象与动力学光学调控的综述文章。该综述系统总结了钙钛矿量子点在量子光源和自旋量子比特载体等领域取得的研究进展，详细论述了近期开展的光学测量与调控的原理与方案，并展望了基于该材料平台的量子信息技术在实用化进程中面临的挑战和机遇。
2024年8月13日，大连化物所吴凯丰教授等人在室温下利用飞秒可见光脉冲驱动胶体量子阱，观测到了近红外波段的弗洛凯态光谱特征，并在时域上获得了弗洛凯态通过退相干转变为平衡物质态的动力学演化过程。
2024年11月1日，大连化物所吴凯丰教授和杨阳教授等人利用ZnSe-ZnS核壳量子点的优异特性，成功实现了可调控且稳定性优异的蓝光激光，克服了传统量子点激光中因镉和铅等有毒金属限制其应用的问题。
该项工作引入了基于CdSe(S) 量子点(QD)-茜素分子(AZ)杂化体系的自旋关联自由基对(RPs)，并系统地研究了该自由基对在磁场中经历的光物理过程。不同于人工制备的纯有机自由基对（Δg约为0.001~0.01），在量子点-分子杂化体系中，通过调节量子点的尺寸与组成，可以实现Δg在0.1~1之间的大范围调控，比有机体系高出两个数量级。在巨大 Δg 的作用下，研究团队直接观测到了自由基对在不同自旋量子态间的相干拍频。
得益于快速的量子拍频，该项工作在室温下实现了自由基对三线态复合动力学的高效磁场调控。2T磁场下的三线态产率较0T下产率的提升程度高达400%。进一步地，团队将磁场效应与稳态光化学反应相耦合，实现了β-胡萝卜光化学异构化反应的磁场调控。理论模拟结果、磁场调制的瞬态动力学、稳态光化学反应速率三者高度一致，印证了磁场相干调控的可靠性。
杂化材料由不同大小的II-VI族CdSe或CdS量子点(QD)和茜素(AZ)分子构建而成。CdSe(S) QD与表面结合的AZ分子形成交错的能级排列。光激发分子后，生成1AZ*。伴随着电子由AZ的LUMO向QD导带的转移，1[QD–-AZ+]形成。受到外磁场的扰动，1[QD–-AZ+]不再是定态，将与3[QD–-AZ+]之间发生相互转化。遵循Wigner-Witmer规则，1[QD–-AZ+]将以速率kS复合回到基态（QD-AZ），3[QD–-AZ+]将以速率kT复合生成分子三线态 （QD-3AZ*）。这一自由基对之间的自旋量子拍频也会导致这两个光化学路径之间的相互转换。通过对体系的kS 、kT、两个量子态之间拍频的频率进行调制，可以实现对光化学活性产物QD-3AZ*的生成速率与产率的相干调控。
图2 强磁场效应对瞬态动力学和三重态产率影响的观测
QD-AZ RPs和瞬态磁场效应：在3.1 nm QD-AZ杂化体系中，随着磁场的增加，体系中电荷复合动力学显著加快，相应地，分子三线态3AZ*信号也愈发明显。得益于快速的量子拍频，该项工作在室温下实现了自由基对三线态复合动力学的高效磁场调控。若以三线态复合产率来衡量QD-AZ杂化体系中的磁场效应，2T磁场下的三线态产率较0T下产率的提升程度高达400%。
自旋量子拍频的动力学模拟与读出：基于Liouville–von Neumann方程，团队建立的量子动力学模型不仅可以定量描述上述磁场依赖的动力学过程，还预测了单线态与三线态自旋态之间的相干量子拍频。更高的磁场强度、更长的相干时间、更快的电子转移速率均有利于拍频信号的读出。在量子动力学模型的指导下，在瞬态吸收测试中可以直接观测到QD-AZ自由基对中的量子拍频。这不仅证明了量子动力学模型的准确性，也证实了这一体系的量子相干过程。
基于量子点大小和组成的磁场效应调控：相比于纯有机自由基对，QD-AZ杂化自由基对可以通过对QDs尺寸、组成的调节，实现杂化自由基对中Δg和2J的大范围调控，进而实现磁场效应的相干调控。利用磁场调制的瞬态吸收光谱，团队对一系列尺寸的CdSe(S) QD-AZ的磁场效应开展了系统测试。磁场依赖的电荷复合速率呈现出明显的随QDs尺寸、组成变化的依赖关系。
稳态光化学反应的磁场效应调控：研究团队构建了QD-AZ//β-胡萝卜素光反应体系，利用杂化自由基对的磁场效应驱动稳态光化学反应，实现了稳态光化学反应的磁场调控，也实现了理论模拟结果、磁场调制的瞬态动力学与三线态产率、稳态光化学反应速率三者的有机统一。
该工作清晰阐明了杂化自由基对在光化学反应中的“量子优越性”，借助这种优越性实现了光化学三线态过程的高效磁场调控。这种可以通过调节量子点尺寸和组分就能轻易调控的磁场效应，不仅为自旋化学提供了新的研究方向，在新兴的量子传感、仿生量子生物学等领域也存在广阔的应用潜力。
吴凯丰，中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师、研究组长。2010年获中国科大学士学位，2015年获美国埃默里大学化学博士学位，之后在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开展博士后研究，2017年5月加入中国科学院大连化物所，入选多个国家高层次人才专项。担任J. Phys. Chem. Lett.、ACS Energy Lett.等国内外期刊编委。主要研究领域是量子点等低维材料的激子、载流子与自旋超快动力学及其在新型能源、量子和发光技术中的应用。
迄今以第一/通讯作者身份在Science、Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Commun.、JACS/Angew/Chem/AM等刊物发表学术论文。
Meng Liu, Jingyi Zhu, Guohui Zhao, Yuxuan Li, Yupeng Yang, Kaimin Gao & Kaifeng Wu*, Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids, Nature Materials (2025),
