处于电荷分离状态的电子对的单重态和三重态之间的变化在自然界中起着重要作用。据推测，候鸟的“生物罗盘”也可以用地球磁场对这两种自旋状态间的磁相互作用的影响来解释。

在以前，这个量子过程还不能直接用光学方法进行跟踪。最近，德国的康士坦茨大学化学系教授Ulrich Steiner和威尔茨堡大学的研究人员合作，他们在《科学》杂志中提出了一种光学跟踪的方法。这是第一次实现以光学方式来确定单重态/三重态设置的时间过程。

光激发将电子提升到更高的能级

通常，分子中的电子会成对占据量子理论上可能的轨道。在这里，电子固有的角动量特性(即所谓的自旋)具有决定性的重要性。根据量子理论的泡利原理，两个电子只有在自旋反平行的情况下才能在同一路径上运行。如果一个电子顺时针自旋，另一个则必须是逆时针方向自旋。在分子基态中，所有的电子自旋通常都是成对的。

通过光激发，单个电子从一对电子中释放出来并提升到能量更高的水平，在那里它独自占据了一个自由轨道。从这里开始，它可以跳到合适的相邻分子中的自由轨道上。这过程的结果是光致电子转移。两个分离的电子现在可以通过与周围环境的磁相互作用独立地改变它们的自旋设置，因为它们不再受到泡利原理的约束。

两个分离的电子形成自由基对

在这过程中，转移电子的能量仅略有下降，因此最初被光激发吸收的大部分电子能量仍然被保留。这种原始的激发能量因此以化学形式储存。由两个分离电子组成的电荷分离态在化学上也称为自由基对(radical pair)。
 
如果两个分离电子的自旋平行排列，则称为三重​​态；如果它们反平行排列，则被称为自由基对的单重态。由于两个自旋的自由个体演化，自由基对的自旋状态在单重态和三重​​态之间来回交替。这些自旋排列在能量上没有太大区别，因此直到现在还无法从光学上区分它们。

自由基对的能量稳定可以通过自由基电子从受体分子跳回到供体分子来实现，从而随着热量的释放而恢复到原来的单重态。然而，为了与供体位置的原始伙伴电子配对，它的自旋必须与伙伴电子的自旋保持相反，由于在此期间可能发生自旋重新定向，情况不一定如此。

如果它当前具有不同的自旋设置，则它无法返回到它原来的轨道，但它也可以通过跳跃到受体位置处的另一个仍然自由的较低轨道来释放能量。因此在受体处形成的三重​​态产物可以在光学上与供体处的单重态产物区分开来。

自由基对有可作为量子比特的模型

自由基对在单重态和三重态之间振荡的阶段在许多方面都特别令人感兴趣。由于它是一种量子力学控制的相干运动，因此原则上可以通过例如外部磁场进行控制。这种运动作用很多，可用于实现量子计算机等用途。

在康士坦茨大学进行光动力学和自旋化学研究的Ulrich Steiner说：“我们的自由基对可以作为量子比特的模型，因为它们在量子计算机中是作为元素存在的，或者可以用于理解开头提到的候鸟生物罗盘中的机理。出于这些原因，我们很有兴趣想知道自旋目前在这个过程中是如何定位的。”

泵推技术可以确定单重态/三重​​态设置

在威尔茨堡大学的Christoph Lambert实验室，研究人员利用依赖磁场的泵推技术开发了一种实验型的方法，该方法首次实现了在特殊合成的供体-受体分子中再特定的时间点读出单重态/三重​​态设置。

首先，从供体到受体分子的电子转移是由所谓的泵浦激光脉冲引发的。这产生了单重自旋的电荷分离状态。未配对的电子自旋现在可以随时间演化。在一定时间后，他们施加了第二个激光脉冲。

Ulrich Steiner与他的俄罗斯同事通过利用量子理论模型计算证实这一实验，他解释说：“这个泵推激光脉冲再次将电子从受体分子转移回供体分子，第二个激光脉冲迫使系统立即在三重态或单重态产物形成之间做出决定，对于这种情况，自由基对通常会进行几次自旋振荡期间。”

通过这种方式，可以对自由基对在不同时间的自旋状态进行快照，并证明了单重态和三重​​态自由基对的周期性变换。（编译:Qtech）