山东大学秦伟课题组：有机多元手性晶体内磁场对光-电子自旋耦合的调节

有机手性材料因其柔性、旋光性、圆二色吸收、圆偏振发光等特性备受关注。随着对有机手性材料的深入研究，研究者发现其不仅具有丰富的手性光学活性，而且内禀的螺旋结构可以诱导产生一个显著的轨道角动量，为传统的弱自旋-轨道耦合的有机材料提供了额外的轨道角动量，从而有效打开了有机手性体系中自旋和光子之间的耦合通道，促生了手性诱导的自旋选择性效应以及磁控圆偏振发光等新奇的物理现象。有机手性材料的制备方法丰富多样，其中分子自组装策略是制备手性有机给受体晶体、手性有机共价键框架、手性聚合物等一种高效方法。最近，一种新兴的多元（三元、四元…）共组装策略更是进一步拓宽了有机手性材料的数量和功能性，例如，通过调节有机手性三元体系中手性分子和非手性分子之间的比例可以实现多色圆偏振光发射。为深入探索手性多元晶体中新奇的手性光活性和磁-光耦合效应带来了启发。

近日，山东大学秦伟课题组基于三种非手性分子自组装合成了手性有机三元晶体，并进一步探索了该手性晶体中的光子与电子自旋之间的相互作用。引入非手性第三元分子到非手性两元晶体中，诱导了所有分子的重新排列，晶格构型由非手性的C2/c空间群转变为手性空间群P2₁2₁2（图1a）。第三元诱导的手性轨道对手性三元晶体的自旋手性光学活性表现出显著影响，在具有显著螺旋轨道的手性三元晶体中，由于圆偏振光子与自旋之间的耦合，观测到了明显的磁场-透过回路（图1b）。由于第三元诱导产生了显著的手性不对称势场，引起了自旋相关的能级劈裂，与非手性晶体中的单一电子自旋共振峰相比，手性三元晶体中激发产生了更多的电子自旋共振信号（图1c）。与此同时，当线偏振光垂直照射晶体时，呈现出温度和磁场相关的透射光圆偏振含量（DCP）（图1d-1e）。总之，此工作观测到了有机多元晶体中非手性-手性结构转变所诱导的磁-光耦合效应，有望于推动手性有机多元晶体中光子-手性轨道-自旋相互作用的研究。

图1.（a）非手性两元和手性三元晶体的晶格构型示意图；（b）圆偏振光照射下，手性有机三元晶体的磁-透射回路；（c）手性结构转变导致的电子自旋共振谱变化；（d）温度对透射光偏振态的影响；（e）温度对磁-光耦合效应的影响。

详见：Zhiyan Chen, Yan Lv, Wei Qin. Control of chiral-optical activities by magnetic field based on the transformation of achiral binary crystals into chiral ternary crystals. Sci. China Chem., 2024, https://doi.org/10.1007/s11426-023-1932-4.

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