在分子尺度下调控量子效应以实现对电荷传递过程的控制是构筑分子功能器件的基本依据。与无机材料不同，有机分子之间耦合作用较弱，同时载流子与原子振动耦合较强，因而分子尺度器件中能够呈现非相干的极化子（polaron）传输过程，从而使得分子尺度器件呈现出多样的非相干传输现象，为分子电子学的研究提供了新的契机。

      近日，天津大学理学院及天津市分子光电科学重点实验室的于曦教授和分子聚集态科学研究院的丁帅帅副教授将分子器件中的电荷传输研究拓展至强电声耦合下的电子-电子相互作用，探索了分子器件中的双极化子输运及Pauli自旋禁阻效应。他们通过非磁性碳电极构建分子器件，以氧化还原活性的钌多吡啶基低聚物 ((Ru(tpy)2) 作为功能分子单元，构筑了稳定可控的分子器件，并在低温和外加磁场下研究了分子器件的输运特性。他们发现，在超过共轭分子相干隧穿长度（~5 nm）的分子器件在低温下具有显著的磁电阻响应，而这一响应在高温、短的传输距离及非氧化还原活性分子器件中则不存在。

      进一步的理论分析表明，磁电阻效应归因于双极化子的输运。在氧化还原活性的Ru(tpy)2分子中，载流子形成深自陷的小极化子，在低温下有一定几率形成具有自旋选择性的双极化子，且受到 Pauli不相容原理的影响。双极化子的传输可通过外加磁场调节电荷自旋取向，控制双极化子形成几率，从而展现出宏观电学特性中磁场依赖的电阻变化现象，即Pauli自旋禁阻现象。

       该研究所述的双极化子传输过程揭示了分子电子器件中多粒子传输机制，并通过分子设计为分子尺度器件在自旋与磁性功能应用方面提供了可靠的理论基础。

       文章的第一作者是天津大学-青海民族大学联合培养博士生丁小海。该研究受到了国家自然科学基金面上项目21973069、21773169，青年项目52003190等项目资金支持。

论文信息：Bi-polaron Transport and Magnetic Field Induced Pauli Spin Blockade in Redox-Active Molecular Junctions. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202208969

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202208969