对于军训的队列训练，大家或许并不陌生，队列是“集体”的代名词，一个人的优秀不算什么，整个方阵的整齐才是真胜利。在量子世界里，电子就像一个个微小的陀螺，永不停歇地“自转”着。这种“自转”被物理学家称为自旋。它不是电子真的在自转，而是一种内禀属性。电子自旋是人类迈向量子科技时代的关键资源之一。

  想象一下，如果你面前有一群杂乱无章的陀螺，有的向左“旋转”，有的向右“旋转”，还有的处于模糊不清的叠加态。要从这种混乱中读取信息，就像在嘈杂的音乐会上听清一句耳语——几乎不可能。这就是量子信息科学面临的核心挑战之一：如何让"量子陀螺"像军训队列那样，被训练地整齐划一，可以全部指向同一个方向？这个过程，被称为自旋极化（图1）。

图1. 电子自旋极化示意图。

  自旋极化的程度，直接决定了量子比特的读出对比度和信噪比。就像收音机的信号强度决定了音质的清晰度，高度的自旋极化意味着我们能够更准确地读取和操控量子信息。而接近100%的自旋极化，则代表着几乎所有电子都"站队"到了同一个量子态上，这是量子信息处理的理想状态，但实验的实现却困难重重。

  近日，吉林大学卢革宇团队的阿力木教授、魏金贝教授联合南京工业大学的彭其明教授、华中科技大学的韩一波教授在一种新型的有机发光双自由基分子中实现了电子近100%的自旋极化，这意味着电子自旋可以像军训队列那样被训练地整齐划一，完全服从科学家的指令。

  相关研究成果近期以“Field-induced near-unity spin polarization in a highly emissive organic diradical”为题，发表在《Nature Communications》上。吉林大学博士研究生王兴和朱子豪为共同第一作者，吉林大学卢革宇团队的阿力木/魏金贝教授、南京工业大学彭其明教授和华中科技大学的韩一波教授为共同通讯作者。

图2. （a）有机发光双自由基中的基态自旋极化示意图；理论模拟的磁致发光曲线：（b）不同单三重态能级与（c）不同温度

  有机发光双自由基，顾名思义，具有两个未成对电子。两个未成对电子通过弱交换相互作用实现自旋耦合，他们基态的单重态与三重态之间的能隙通常很小，大多在0.1—10 meV量级。这类分子通常具有“暗”单重态、“亮”三重态的光学特征——单重态跃迁振子强度较低，而三重态振子强度较高，更易发光。于是，通过外加磁场诱导塞曼分裂，把三重态最低子能级T_-不断拉低；在玻尔兹曼分布作用下，单三重态的自旋布居都向这个三重态最低子能级聚集（图2a），自旋越整齐划一地“排队列”，发光就会越亮，这就是近年来有机发光自由基中常提及的磁致发光（Magnetoluminescence, MagLum）。磁致发光就像自旋极化的探针一般，越是自旋极化，MagLum的值就会越大，如果MagLum的值接近饱和，那么便意味着自旋接近完全极化。但此前报道的有机双自由基的MagLum大多只随磁场单调上升，未观察到饱和迹象。因此，饱和能不能实现？需要多低的温度、多强的磁场？研究团队没有直接碰运气，而是先建立了一个包含单重态和三重态的四能级热平衡模型，并引入能级展宽的高斯分布，用数值模拟预测MagLum的饱和磁场、饱和幅度和线形演化。模拟表明：若磁场小于50 T、温度低于10 K，且单重态—三重态能隙与能级展宽都小于1 meV，就有望看到接近饱和的MagLum（图2b，2c）。

  理论给出方向后，研究团队设计合成了双自由基D1（图3a）：两个三(2,4,6-三氯苯基)甲基（TTM）自由基单元作为自旋承载和发光中心，通过刚性吲哚并咔唑桥连，并引入叔丁基提供位阻保护。这个设计同时瞄准三个目标：足够小的单重态—三重态能隙、高效发光、实验条件下的化学稳定性。

图3. D1分子的量子化学计算结果。（a）分子结构示意图；（b）基态单三重态自旋布居；（c）三重态轨道分布

  量子化学计算结果显示，D1具有单重态基态，能隙仅?0.765 meV；单重态跃迁振子强度较低，而三重态跃迁振子强度明显更高（图3c），符合“暗单重态/亮三重态”的要求。刚性桥连还抑制了激发态结构畸变，重组能、Huang–Rhys因子和均方根偏差都较小，有利于减少非辐射损耗。实验上成功合成D1后，测得其在二氯甲烷中的光致发光量子产率达到80.3%，在PMMA薄膜中也有23.3%。这意味着它确实是一个能高效发光的自旋平台。

  在进行超高磁场测试前，研究团队先通过低温超导磁铁检验了D1分子的磁光物理性质，以确定其光物理性质与能级结构确实符合前面的理论模拟与计算结果。结果表明，其在2-80K范围内发光强度随温度上升而上升（图4a），在40K以下具有磁致发光（图4b）。这些结果意味着其确实具有较小的单三线态能级差，以及单线态基态的能级结构。由此，在能级结构清晰的情况下，研究团队便确定这就是可以进行超高磁场实验的分子。

图4. D1分子的低温磁光实验结果。（a）2-80 K的变温PL光谱；（b）2-40 K的变温MagLum曲线；（c）5.5 K下，0-46.6 T脉冲强磁场下的PL光谱；（d）5.5 K下，MagLum曲线以及理论拟合结果

  研究团队将D1以0.2 wt%掺杂到PMMA薄膜中，以实现其单分子状态。在5.5 K下施加高达46.6 T的脉冲磁场，记录整个发光波段的积分强度。结果显示，MagLum在约30 T时开始明显趋缓，到46.6 T时达到112%，已接近饱和（图4c，4d）。实验数据可以用此前推导的MagLum公式较好拟合；结合变温电子顺磁共振给出的单重态—三重态能隙（?1.74 meV），研究者推断：超强磁场（46.6 T相当于约5.4 meV的塞曼能）造成的塞曼分裂已把最低三重态子能级显著拉到单重态之下，玻尔兹曼分布驱动自旋布居几乎全部进入该子能级，因而实现了近完全自旋极化。

  为了让结论更扎实，研究团队还做了几组对照实验：相同条件下，对应的单自由基没有可检测的MagLum，说明信号并非来自分子间自旋相互作用；第二个双自由基D2在相同条件下也表现出近饱和的MagLum，说明结果具有可重复性（图5a，5b）。此外，瞬态电子顺磁共振显示D1在295 K下具有259.0 ns的自旋相干时间（图5c），并观察到清晰的Rabi振荡（图5d），表明该分子平台不仅可以实现完全自旋极化，还可以实现微波相干操控，使其具备构建光学可寻址量子比特的潜力。

图5.（a）5.5 K下，D2分子在脉冲强磁场下的PL光谱；（b）5.5 K下，D2分子的MagLum曲线；（c）D1分子经指数拟合的Hahn回波衰减曲线;（d）D1分子在不同微波功率下的Rabi振荡曲线

  该工作从基本理论出发，经过一系列环环相扣的实验过程最终证明了有机发光双自由基中电子自旋的近完全极化。尽管其需要一些极端的实验条件，但是从理论上来看，通过针对性的分子设计（而这也是有机分子的优势），可以减少单三重态的能级差，甚至让三重态变成基态，从而降低一些极端实验的需求。此外，这些结果表明在后续的研究中，可以通过MagLum的特征曲线来判断自旋极化程度。该工作的意义在于展示了一个在有机发光双自由基中通过低温磁场实现完全自旋极化的案例并为其超高磁场下的磁光物理研究提供了重要参考。

  研究获得国家重点研发计划（2023YFB3608902、2022YFA1602702）、国家自然科学基金（62422404、52103210、62475116、U24A20292、22105054、11974126）及吉林省自然科学基金（20230101363JC）支持。作者分别感谢华南理工大学的乔现锋教授和安徽大学的郑赣鸿教授在瞬态EPR和变温连续波EPR实验方面提供的帮助。

  文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-78882-2