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　　光明日報北京3月11日電 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰教授課題組與相關(guān)團隊合作，以石墨烯基單分子器件平臺為載體，對給體-受體結構的雙自由基分子的開(kāi)殼特性進(jìn)行了精準實(shí)時(shí)檢測與調控，并揭示了溫度、電場(chǎng)及磁場(chǎng)三種外界因素如何影響雙自由基自旋態(tài)的轉換機制，在未來(lái)量子通信和計算等方面具有巨大的應用前景。相關(guān)研究成果日前以《單分子自由基中量子自旋轉換的調控》為題發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》。

　　當今，信息技術(shù)發(fā)展迅猛，電子自旋的內在屬性在邏輯運算、數據存儲與信息讀取等方面的作用愈發(fā)凸顯。隨著(zhù)實(shí)驗技術(shù)的持續進(jìn)步，電子自旋的研究正由宏觀(guān)層面逐步深入到納米尺度甚至單自旋水平，為自旋相關(guān)應用開(kāi)辟了寬廣道路。但在探測與調控單自旋領(lǐng)域，世界各國的科學(xué)家們仍面臨重大挑戰。

　　本次研究中，團隊基于分子工程學(xué)原理，利用共價(jià)鍵將給體-受體結構的雙自由基分子錨定在石墨烯納米電極上，成功構筑了單分子自由基器件，并實(shí)現了在低溫環(huán)境下穩定的單電子傳輸性能。

　　隨后，團隊根據自由基分子在不同溫度下的磁學(xué)測試，擬合了單線(xiàn)態(tài)-三線(xiàn)態(tài)能隙，并通過(guò)實(shí)時(shí)電流測試觀(guān)察到三種不同的電導狀態(tài)及其相互轉換關(guān)系，進(jìn)而對這些狀態(tài)進(jìn)行了詳細分類(lèi)與解析。活化能擬合結果表明，溫度的升高將有利于促進(jìn)從閉殼結構向開(kāi)殼結構的轉換，特別是向開(kāi)殼三線(xiàn)態(tài)的轉換。

　　在電場(chǎng)效應研究中，團隊通過(guò)施加偏壓，成功利用電場(chǎng)降低單線(xiàn)態(tài)-三線(xiàn)態(tài)轉換的能壘，促進(jìn)閉殼單線(xiàn)態(tài)向開(kāi)殼三線(xiàn)態(tài)轉換。而單分子自由基器件在磁場(chǎng)調控方面的作用同樣顯著(zhù)。在低溫情況下，單分子自由基器件表現出明顯的正磁阻效應，且磁場(chǎng)的增強促進(jìn)了閉殼結構向開(kāi)殼三線(xiàn)態(tài)轉換，但同時(shí)抑制了向開(kāi)殼單線(xiàn)態(tài)的轉換。

　　郭雪峰表示，該研究證明了單分子電學(xué)方法在直接檢測與調控自由基分子自旋態(tài)的重要作用。如能進(jìn)一步實(shí)現常溫環(huán)境穩定量子自旋態(tài)，這項研究成果將為開(kāi)發(fā)基于分子自旋的量子信息系統提供重要的芯片技術(shù)支持，推動(dòng)電子信息技術(shù)向更深層次發(fā)展。（記者 晉浩天）