北京大學化學與分子工程學院郭雪峰教授課題組與相關團隊合作，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殼特性進行了精準實時檢測與調控，并揭示了溫度、電場及磁場三種外界因素如何影響雙自由基自旋態的轉換機制，在未來量子通信和計算等方面具有巨大的應用前景。相關研究成果日前以《單分子自由基中量子自旋轉換的調控》為題發表于《自然·納米技術》。
當今，信息技術發展迅猛，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凸顯。隨著實驗技術的持續進步，電子自旋的研究正由宏觀層面逐步深入到納米尺度甚至單自旋水平，為自旋相關應用開辟了寬廣道路。但在探測與調控單自旋領域，世界各國的科學家們仍面臨重大挑戰。
本次研究中，團隊基于分子工程學原理，利用共價鍵將給體-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，并實現了在低溫環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測試，擬合了單線態-三線態能隙，并通過實時電流測試觀察到三種不同的電導狀態及其相互轉換關系，進而對這些狀態進行了詳細分類與解析。活化能擬合結果表明，溫度的升高將有利于促進從閉殼結構向開殼結構的轉換，特別是向開殼三線態的轉換。
在電場效應研究中，團隊通過施加偏壓，成功利用電場降低單線態-三線態轉換的能壘，促進閉殼單線態向開殼三線態轉換。而單分子自由基器件在磁場調控方面的作用同樣顯著。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，且磁場的增強促進了閉殼結構向開殼三線態轉換，但同時抑制了向開殼單線態的轉換。
郭雪峰表示，該研究證明了單分子電學方法在直接檢測與調控自由基分子自旋態的重要作用。如能進一步實現常溫環境穩定量子自旋態，這項研究成果將為開發基于分子自旋的量子信息系統提供重要的芯片技術支持，推動電子信息技術向更深層次發展。
北京大學化學與分子工程學院郭雪峰教授課題組與相關團隊合作，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殼特性進行了精準實時檢測與調控，并揭示了溫度、電場及磁場三種外界因素如何影響雙自由基自旋態的轉換機制，在未來量子通信和計算等方面具有巨大的應用前景。相關研究成果日前以《單分子自由基中量子自旋轉換的調控》為題發表于《自然·納米技術》。
當今，信息技術發展迅猛，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凸顯。隨著實驗技術的持續進步，電子自旋的研究正由宏觀層面逐步深入到納米尺度甚至單自旋水平，為自旋相關應用開辟了寬廣道路。但在探測與調控單自旋領域，世界各國的科學家們仍面臨重大挑戰。
本次研究中，團隊基于分子工程學原理，利用共價鍵將給體-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，并實現了在低溫環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測試，擬合了單線態-三線態能隙，并通過實時電流測試觀察到三種不同的電導狀態及其相互轉換關系，進而對這些狀態進行了詳細分類與解析。活化能擬合結果表明，溫度的升高將有利于促進從閉殼結構向開殼結構的轉換，特別是向開殼三線態的轉換。
在電場效應研究中，團隊通過施加偏壓，成功利用電場降低單線態-三線態轉換的能壘，促進閉殼單線態向開殼三線態轉換。而單分子自由基器件在磁場調控方面的作用同樣顯著。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，且磁場的增強促進了閉殼結構向開殼三線態轉換，但同時抑制了向開殼單線態的轉換。
郭雪峰表示，該研究證明了單分子電學方法在直接檢測與調控自由基分子自旋態的重要作用。如能進一步實現常溫環境穩定量子自旋態，這項研究成果將為開發基于分子自旋的量子信息系統提供重要的芯片技術支持，推動電子信息技術向更深層次發展。
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