量子點對化學與生物學的驚人影響

膠體量子點正展現出超越鮮豔色彩的潛力，深入探究諸如自旋相干等量子效應。研究人員正率先運用這些量子特性來影響光化學過程，這是一項創新的跨學科嘗試，對量子生物學具有重要意義。

膠體量子點（QDs）為探索各種量子效應提供了一個多功能平臺。其獨特的尺寸相關顏色，在環境條件下清晰可見地展現了量子限制效應。近年來，量子點還呈現出更奇特的量子行為，包括單光子發射、自旋相干和激子相干。與其他固態量子平臺不同，量子點可以像分子一樣在溶液中處理。這一特性使其表面能夠用有機分子進行功能化，使其成為推動光化學過程的強大工具。

膠體量子點在參與光化學的同時，能在室溫下保持強烈的自旋量子相干性。這一特性啟發了中國科學院大連化學物理研究所的吳開峰教授及其團隊，開創了一個新的跨學科領域：利用量子點的量子相干性來控制光化學反應。

這個想法與量子生物學中一個引人入勝的例子密切相關。據信，候鳥利用地球磁場，對光生自由基對的自旋三重態重組產率進行相干調節，進而引發用於導航的感官訊號級聯反應。

在1月6日發表於《自然材料》的一項研究中，吳教授的團隊報告了由膠體量子點及其表面錨定分子製備的混合自由基對，並展示了混合自由基對在三重態光化學的量子相干控制方面的獨特量子優勢。

與純有機自由基對不同，純有機自由基對的一對電子具有相似的朗德g因子，因此Δg值很小（0.001 - 0.01）。而混合自由基對的Δg值很大（0.1 - 1），再加上量子點的量子限制所產生的強交換耦合，使得研究人員能夠直接觀察到以往研究中通常難以察覺的自由基對自旋量子拍動。

藉助這種快速的量子拍動，研究人員展示了強磁場對三重態重組動力學的控制。在1.9 T的磁場下，三重態產率的調變水平達到了400%。此外，磁場效應可以透過量子點的尺寸和組成輕鬆調節，這是以往純有機自由基對無法比擬的優勢。

吳教授表示，本研究報告的量子點 - 分子混合自由基對及其強烈且可調的磁場效應，將透過借鑒半導體自旋物理的基本原理，極大地有助於對分子和混合無機/有機光電子器件進行自旋控制。

他補充道，混合自由基對可能構成一個獨特的材料平臺，將新興的分子量子科學領域與固態量子平臺相融合，從而實現許多新型量子資訊科技。

參考文獻：《量子點 - 分子雜化物中光化學自旋三重態形成的相干操控》，作者劉萌、朱靜宜、趙國輝、李雨軒、楊宇鵬、高凱民和吳開峰，2025年1月6日，《自然材料》。DOI：10.1038/s41563-024-02061-1