格拉斯哥大学团队实现突破：利用光读取多孔晶体内部电子自旋，开启量子化学传感新路径

【格拉斯哥讯】  格拉斯哥大学的研究人员参与的一项国际合作项目取得重大进展，有望催生新一代量子传感器。该研究团队首次成功利用光线读取了被困在一种名为“金属有机框架”（MOF）的多孔晶体材料内部的电子磁自旋。

这项研究成果已发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。参与该研究的机构还包括东京大学、谢菲尔德大学和神户大学。

光探测磁共振技术的应用突破

该团队的工作建立在一种名为“光探测磁共振”（ODMR）的技术基础之上。此前，该技术因在读取量子传感中的自旋量子比特方面具有实用价值而备受关注。此次突破标志着在利用MOF材料开发未来传感设备方面迈出了重要一步，这些设备有望以极高的灵敏度检测化学物质。

格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Sam Bayliss博士和Alistair Inglis博士领导了该校的研究工作。

读取“分子脚手架”内部的自旋

“从本质上讲，MOF就是分子脚手架，”Bayliss博士解释道，“我们的东京大学同事合成了这种刚性且多孔的结构，它在传感应用方面潜力巨大。在格拉斯哥大学的先进研究中心，我们利用光，通过光探测磁共振技术读取了被束缚在这一框架内的自旋磁态。这是人类首次以这种方式在此类材料中测量自旋共振。”

Inglis博士补充道：“令人兴奋的是，自旋共振不仅能告诉我们分子本身的信息，还能反映它们所处的环境，这意味着这些材料可以用作传感器。而且由于这些MOF是多孔的，原则上我们可以将目标分子装载到脚手架中，并使用相同的技术进行读取，从而实现分子尺度的传感。下一步是在更实用的温度下推动其工作，并调整化学结构以增强信号。”

更高的灵敏度与化学可控性

通过光线检测的电子自旋，其灵敏度和空间分辨率均高于依赖微波检测的电子自旋共振（ESR）。这使得它们非常适合量子传感，并在近年来成为深入研究的课题。

金刚石氮空位中心是光可检测电子自旋的一个著名例子。然而，由于它们利用的是晶体缺陷中存在的自旋，因此在可控性及其与外部物质的相互作用方面存在局限性。

相比之下，源自分子的自旋具有化学可控性——其结构可以设计，自旋特性可以调整。金属有机框架则更进一步，在多孔材料内部控制了电子自旋的位置和方向。

迈向“量子鼻”

由于具有多孔特性，目标化学物质可以被吸附在孔隙中，并通过诱导与自旋的近距离相互作用被检测出来。鉴于这些优势，MOF一直被视为量子传感的潜力材料；然而，在此之前，MOF内部自旋的光学检测尚未得到证实。

由于MOF可以通过改变配体和晶体结构设计成多种方式，研究团队表示，他们的演示可以扩展到许多相关材料。这样一个对特定化学物质有不同响应的MOF库，可以充当“量子鼻”，根据其响应模式来识别物质。

来源详情

Miku Inoue et al, Optically Addressable Spins in a Metal–Organic Framework, Journal of the American Chemical Society (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c12867

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