宏觀量子隧道效應

早期曾用來解釋納米鎳粒子在低温繼續保持超順磁性。近年來人們發現Fe－Ni薄膜中疇壁運動速度在低於某一臨界温度時基本上與温度無關。於是，有人提出量子理想的零點震動可以在低温起着類似熱起伏的效應。從而使零温度附近微顆粒磁化矢量的重取向，保持有限的弛豫時間，即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉率。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有着重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應，隧道效應將會是未來電子器件的基礎，或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限。當電子器件進一步細微化時，必須要考慮上述的量子效應。

上述的量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應及量子隧道效應都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外，納米材料還有在此基礎上的介電限域效應、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現出許多奇異的物理、化學性質，出現一些“反常現象”。例如金屬為導體，在低温時納米金屬微粒由於量子尺寸效應會呈現電絕緣性；一般PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型鐵電體，但當其尺寸進入納米數量級就會變成順電體；鐵磁性的物質進入納米尺度（～5nm）時，由多疇變成單疇，於是顯示極強順磁效應；當粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時，已不具有典型共價鍵特徵，界面鍵結構出現部分極性，在交流電下電阻很小；化學惰性極高的金屬鉑製成納米粒子（鉑黑）後，卻成為活性極好的催化劑；金屬由於光反射現象呈現出各種美麗的顏色，而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低，通常可低於1%，由於小尺寸和表面效應使納米粒子對光吸收表現極強能力；由納米粒子組成的納米固體在較寬譜範圍顯示出對光的均勻吸收性，納米複合多層膜在7～17GHz頻率的吸收峯高達14dB，在10dB水平的吸收頻寬為2GHz；顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強度較之多晶Fe提高12倍；納米Cu晶體自擴散是傳統晶體的1016至1019倍，是晶界擴散的103倍；納米金屬Cu的比熱是傳統純Cu的兩倍；納米固體Pd熱膨脹提高一倍；納米Ag晶體作為稀釋致冷機的熱交換器效率較傳統材料高30%；納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和磁矩是普通金屬的1/2。

各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學已用能級的概念進行了合理的解釋，由無數的原子構成固體時，單獨原子的能級就併合成能帶，由於電子數目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續的，從能帶理論出發成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯繫與區別，對介於原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數還是偶數有關，比熱亦會反常變化，光譜線會產生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現。因此，對超微顆粒在低温條件下必須考慮量子效應，原有宏觀規律已不再成立。

電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在製造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無法正常工作，經典電路的極限尺寸大概在0．25微米。研製的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應制成的新一代器件。