本研究由吉林大学集成光电子学国家重点实验室的王星（Xing Wang）和朱子豪（Zihao Zhu）作为共同第一作者完成，通讯作者为吉林大学的Alim Abdurahman、Jinbei Wei、华中科技大学的韩一波（Yibo Han）以及南京工业大学的彭其明（Qiming Peng）。论文以“field-induced near-unity spin polarization in a highly emissive organic diradical”为题，发表在《Nature Communications》上，目前为in press状态，DOI号为10.1038/s41467-026-78882-2。该研究属于有机自旋电子学与量子信息材料交叉领域，核心目标是探索有机发光双自由基（organic luminescent diradical）体系中通过外加磁场和低温条件实现近100%自旋极化（near-unity spin polarization）的可行路径。

研究的学术背景建立在有机发光双自由基作为分子级自旋-1/2双粒子体系的基础之上。这类材料通过分子工程可精确调控自旋构型和交换相互作用，同时具备高效发光特性，能够实现自旋态的光学读出，因而被视为有机自旋电子学、磁光传感和量子信息处理的有力候选平台。然而，此前文献报道的有机发光双自由基磁致发光（magnetoluminescence, MagLum）仅随磁场单调增加而未达到饱和，这意味着能否在实验上实现近完全自旋极化仍是一个悬而未决的问题。本研究的核心目标即在于通过理论模拟预测饱和条件，并通过分子设计与超强磁场实验验证近统一自旋极化的可实现性。

研究工作分为三个主要阶段。第一阶段为理论建模与数值模拟。作者首先建立了一个四能级模型，即一个单重态（singlet, S₀,₀）和三个三重态子能级（triplet sublevels, T₀,₊、T₀,₀、T₀,₋），假设单重态基本不发光而三重态发光且三个子能级发光效率相同。基于玻尔兹曼分布（Boltzmann distribution）和塞曼分裂（Zeeman splitting）公式，推导了三重态占据概率的解析表达式，并引入高斯展宽（Gaussian broadening）来描述单重态-三重态能隙（singlet-triplet energy gap, δE_S-T）的分布。通过Python数值模拟，系统考察了δE_S-T、温度（T）、展宽因子（σ₀）和温度相关展宽系数（α）四个关键参数对MagLum强度和饱和磁场的影响。模拟结果表明，当磁场小于50 T、温度低于10 K、且δE_S-T和能级展宽均小于1 meV时，MagLum有望达到饱和。

第二阶段为分子设计与合成表征。基于理论模拟的指导，作者通过密度泛函理论（DFT）计算筛选并设计了双自由基分子D1。D1的分子骨架由两个三(2,4,6-三氯苯基)甲基（TTM）自由基单元、刚性的吲哚并咔唑（indolocarbazole）连接桥以及叔丁基（tert-butyl）保护基团构成。DFT计算在UB3LYP/6-31G(d,p)水平上进行，结果表明D1具有单重态基态，δE_S-T为-0.765 meV，满足小能隙要求。含时密度泛函理论（TD-DFT）计算显示，S₀→S₁跃迁的振子强度仅为0.0341，而T₀→T₁跃迁的振子强度高达0.3061，证实了“暗单重态/亮三重态”的光学特征。此外，通过MOMAP软件计算重组能和黄昆因子（Huang-Rhys factors），发现各振动模式的重组能和黄昆因子均较小，且T₀和T₁态的均方根偏差（RMSD）很小，说明刚性连接桥有效抑制了激发态结构畸变，有利于高效发光。实验合成D1后，对其光物理性质进行了系统表征。在不同极性溶剂中的紫外-可见吸收和发射光谱测量显示，发射峰随溶剂极性增大而显著红移，表明存在电荷转移（charge-transfer, CT）态特征。荧光量子产率（PLQY）在二氯甲烷中达到最大值80.3%，荧光寿命为12.1 ns。通过速率分析提取了辐射和非辐射速率常数，发现辐射速率随极性增加单调上升，而非辐射速率先增后减，符合能隙定律（energy-gap law）的预期。D1在甲苯溶液中的光稳定性半衰期达1.58×10⁵秒，表现出良好的化学稳定性。

第三阶段为低温磁光测量与超强磁场实验。作者首先制备了0.5 wt%掺杂的PMMA薄膜，测量了2 K至300 K范围内的温度依赖光致发光（PL）光谱。结果显示PL强度在2 K至80 K区间随温度升高而增强，这一反常行为暗示了基态主导的磁光机制。在0至7 T磁场范围内测量不同温度下的MagLum曲线，发现MagLum随温度升高而减小，且2 K下0 T与7 T的荧光寿命保持不变。这些结果与基态自旋极化机制一致。随后，作者在武汉国家强磁场中心利用脉冲强磁场设备，对0.2 wt%掺杂的PMMA薄膜在5.5 K、磁场最高至46.6 T的条件下进行了超强磁场磁光测量。实验结果显示，MagLum在约30 T处开始趋于饱和，最大MagLum值达到112%。通过变温电子顺磁共振（EPR）谱拟合得到δE_S-T为-1.74 meV，并以此参数对实验MagLum曲线进行理论拟合，获得了良好的一致性。饱和的MagLum信号表明，在超强磁场下，最低三重态子能级（T₀,₋）的能量被显著降低至单重态能级以下，玻尔兹曼分布驱动自旋布居几乎全部集中到该子能级，即实现了近100%的自旋极化。

为验证结果的可靠性和排除偶然因素，作者合成了第二个双自由基分子D2，并在相同实验条件下观察到类似的近饱和MagLum行为。同时，对应的单自由基M1和M2在相同条件下未检测到任何可观测的MagLum，排除了分子间自旋相互作用对实验结果的干扰。此外，瞬态EPR测量显示D1在295 K下的自旋相干时间（T_m）为259.0 ns，并观测到清晰的拉比振荡（Rabi oscillations），证明该体系具备相干自旋操控能力，且其室温相干时间与近期报道的有机发光自由基体系相当。

本研究的核心结论是：通过在低温下施加超强磁场，可以在有机发光双自由基中实现近统一自旋极化。基态主导的MagLum机制使得该体系的磁光响应具有高度可预测性，MagLum可作为自旋极化的直接探针。模拟结果揭示了δE_S-T、温度和能级展宽是决定近统一自旋极化能否实现的关键参数，为后续研究提供了明确的参考。该工作的科学价值在于首次在实验上展示了有机发光双自由基中接近100%自旋极化的实现路径，并给出了清晰的超强磁场下MagLum的物理图像。在应用层面，该体系具备光学可寻址性和相干自旋操控能力，为有机自旋量子比特的读出和操控提供了有前景的材料平台。研究的亮点在于：理论模拟与分子设计的紧密结合，成功设计出兼具小能隙、高发光效率和良好稳定性的双自由基分子D1；利用高达46.6 T的脉冲强磁场实现了MagLum的饱和；通过对照实验排除了分子间相互作用的干扰；以及瞬态EPR证实了室温相干操控能力。这些结果共同构成了从理论预测到实验验证的完整证据链，为有机发光双自由基在量子信息领域的进一步应用奠定了基础。