一、智能分子磁性材料器件与极低温磁制冷装备

分子磁学是一门跨合成化学、量子化学、物理化学以及凝聚态物理等领域的前沿交叉学科。分子的磁性主要来自于金属离子或自由基的电子自旋与轨道角动量的贡献，是物质的基本属性之一。分子磁学的研究重点之一是通过分子结构设计与修饰，调节金属离子自旋态、磁各向异性以及磁相互作用等，赋予分子材料特定的磁学性质和外场响应特性，诸如分子磁体、自旋转变、磁制冷等功能，揭示分子自旋电子结构与本征物性间的结构性能关系，推动其在高密度信息存储、分子磁开关与传感、自旋电子学、量子信息科技、极低温制冷等领域的应用。本课题组自2010年成立之初一直致力于光响应分子磁性材料研究。相较于传统的光响应有机分子体系，光诱导电子转移可以在飞秒尺度和电子层次上调控固态分子的自旋电子结构，而不产生因剧烈原子位移导致的固态转换效率低、抗疲劳程度差等问题。据此，课题组提出利用光操纵金属离子电子可逆转移调控磁学（Nature Chemistry 2021, 13, 698-704; CCS Chemistry 2023, 5, 865-875; Chemical Science 2018, 9, 617-622）、电学（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202115367; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202208208）、荧光（CCS Chemistry 2023, 5, 915-924; Chemical Science 2023, 14, 6936-6942; Chemical Science 2018, 9, 2892-2897.）以及热膨胀形变（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302815; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13052-13055）等功能，形成了“光操纵金属离子电子转移调控分子功能”特色研究方向。基于以上研究基础，课题组将继续围绕光响应分子磁性材料的多级结构设计与物性耦合调控的基础研究方向，开展其在非线性光学、分子自旋电子学、自旋量子器件以及极低温磁制冷等前沿重点领域的应用探索研究。主要包括如下子方向：

1.光响应分子磁性材料与自旋量子器件的智能制造；

2.稀土基分子多铁材料的结构设计与物性调控研究；

3.高性能稀土磁制冷材料与极低温绝热去磁制冷装置开发。

二、磁催化材料与工程化应用

电子具有本征的自旋量子自由度，电子自旋参与的物理化学反应在自然界与生命活动体系中扮演着十分重要的角色。已有研究表明北极燕鸥每年往返南北极的迁徙（7万公里）与自旋选择性反应相关（量子罗盘模型）。该理论认为燕鸥通过存在于视网膜上的隐花色素对自然光的感知产生自由基对（radical pair），后者在地磁场参与下改变singlet-triplet的量子纠缠状态（quantum entangled），从而获取方位信息。此外，三线态O₂参与的催化反应也被认为与催化剂材料的自旋极化程度密切相关。磁场诱导的铁磁电极表面自旋极化会使氧中间体物种自旋平行排列，降低从而增强电催化OER产氧效率。然而，受限于本征化学反应与自旋分裂（包括但不限于自旋-自旋作用、自旋-轨道作用、自旋塞曼作用）能量尺度上的巨大差异，自旋选择相关的化学反应报道仍然较少，自旋参与的化学反应与调控机制还不明确。因此，深入研究催化剂材料的自旋电子结构、催化反应中的自旋选择性以及磁场辅助的光电化学反应机理等，对于理解自旋参与的生命化学活动，发展具有高效自旋选择性与产物选择性的磁催化剂，有望为现有催化转化领域研究带来新的视角，并应用于相关化学品的工程化生产。课题组将基于对分子磁性材料的设计理念与调控策略，通过磁工程、自旋工程等手段重构催化剂的自旋电子结构与磁结构，利用配位化学等手段引入手性结构产生手性诱导自旋选择性（CISS，chiral-induced spin selectivity），研究自旋结构与催化过程的内在关联，发现更多的自旋化学反应，从而推动潜在的工程场景应用。

三、磁诊疗一体材料及原位多通道分子光学表征平台与高分辨时空成像

  新型智能分子磁性材料与磁催化材料研究涉及多物理场下的多重物性协同表征分析，需要借助原位多通道光谱学表征平台、分子器件制备平台以及多物理场综合物性测量系统以支撑相关研究。课题组将搭建变温超快圆二色谱光学平台，利用双光路输出特性拓展非线性光学响应探测，实现集荧光、拉曼、圆二色、非线性光学测量于一体超快光谱平台，开发托多物理场交互响应式光-电-磁-热多功能测量装置与相关功能附件。