磁性的宏观量子效应

宏观量子隧道效应
宏观量子隧道效应是指在宏观尺度上，量子力学的隧道效应在某些特定条件下仍然显著影响系统的行为。

这种效应通常发生在宏观系统的微观结构具有量子特性的情况下，导致了一些经典物理学无法解释或预测的现象。

以下是宏观量子隧道效应的一些常见例子：
1.超导电性：在超导体中，电子对以宏观量子态的形式存在，能够在超导态下通过量子隧道效应自由移动，导致超导体的零电阻和磁通量量子化等特性。

2.磁通量量子化：在超导环中，磁通量可以通过量子隧道效应以一定的量子单位进行穿过环的不同区域，导致磁通量量子化现象。

3.磁体磁化：在纳米尺度下，由于量子隧道效应的存在，磁体的磁化可能表现出量子隧道磁化的行为，导致磁性的量子涨落和量子隧道磁滞回线等现象。

4.量子点导电性：在量子点等纳米结构中，由于量子隧道效应的存在，电子可以通过量子隧道穿越能带禁带，导致量子点的电导率和电子输运性质发生变化。

5.量子热传导：在纳米尺度下，由于量子隧道效应的存在，声子的热传导可能表现出量子行为，导致纳米材料的热导率呈现出量子涨落和量子隧道热传导等现象。

这些宏观量子隧道效应的存在使得我们对于宏观系统的理解更加丰富和深入，同时也为新型材料和器件的设计和应用提供了新的思路和可能性。

(完整)量子尺寸效应1.1.1量子尺寸效应所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽，由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、催化和超导性等特性与宏观性存在着显著的差异.如金属纳米材料的电阻随着尺寸下降而增大，电阻温度系数下降甚至变成负值；相反，原是绝缘体的氧化物达到纳米级时，电阻反而下降;10～25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力变为零,表现为超顺磁性.1.1。

2小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。

例如:光吸收显著增加，吸收峰的等离子共振频移,磁有序态向磁无序态转变，超导相向正常相的转变，声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。

1。

1.3表面与界面效应纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应。

由于表面原子与内部原子所处的环境不同,当粒子直径比原子直径大时(如大于0.01时），表面原子可以忽略，但当粒子直径逐渐接近原子直径时，表面原子的数目及作用就不能忽略,而且这时粒子的比表面积、表面能和表面结合能都发生很大变化。

人们把由此引起的种种特殊效应统称表面效应[8,9].随着粒径的减小，比表面迅速增大。

当粒径为5nm 时，表面原子数比例达到约50%以上,当粒径为2nm时,表面原子数达到80％，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。

庞大的表面原子的存在导致键态严重失配，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键，产生许多活性中心,从而导致纳米微粒的化学活性大大增强,主要表现在:（1)熔点降低。

就熔点来说，纳米颗粒中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。

核磁共振量子力学原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种重要的物理现象，它在医学、化学、物理等领域都有广泛的应用。

核磁共振量子力学原理是解释核磁共振现象的基础理论，通过量子力学的观点，揭示了核磁共振现象的本质和机理。

量子力学是研究微观领域的物理学理论，它描述了微观粒子的行为和性质。

核磁共振现象可以解释为原子核在外加磁场的作用下，由于其自旋而产生的磁矩在外加射频场的作用下发生共振吸收和发射的过程。

我们来了解一下原子核的自旋和磁矩。

原子核由质子和中子组成，它们带有1/2的自旋。

自旋可以看作是一个旋转的量子态，类似于地球的自转。

由于带电粒子的旋转会产生磁场，因此原子核也具有磁矩。

不同的原子核由于质子和中子数目的不同，具有不同的自旋和磁矩。

当一个外加静态磁场作用在原子核上时，原子核的磁矩会朝向磁场方向排列，形成一个总磁矩。

这个总磁矩可以用一个经典物理学中的矢量来表示，称为磁化强度。

在没有外界干扰时，原子核的磁化强度与外加磁场方向一致。

接下来，我们考虑外加射频场对原子核的作用。

外加射频场是一个高频交变磁场，其频率与核磁共振频率相同。

当外加射频场的频率与核磁共振频率一致时，它会与原子核的磁矩发生相互作用。

根据量子力学的原理，原子核的自旋和磁矩只能在某些特定的能级上存在，而不能连续变化。

当外界射频场的频率与核磁共振频率相同时，它会引起原子核从一个能级跃迁到另一个能级，产生能量的吸收和发射。

具体来说，当外界射频场的频率与核磁共振频率一致时，它会引起原子核自旋状态的翻转。

这个过程可以看作是原子核吸收射频能量，从低能级跃迁到高能级。

当射频场停止作用时，原子核会自发地从高能级跃迁到低能级，释放出吸收的能量。

核磁共振现象的观测是通过探测原子核吸收和发射的射频信号来实现的。

在核磁共振实验中，我们可以通过改变外加磁场的强度和方向，调节外界射频场的频率和强度，来研究原子核的磁共振现象。

纳米材料四大效应及相关解释四大效应基本释义及内容：量子尺寸效应:是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。

当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。

小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。

对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质.表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比.随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加,颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。

宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒.近年来,人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。

四大效应相关解释及应用:表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。

随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加.例如粒径为10nm时,比表面积为90m2/g；粒径为5nm时,比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g.粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。

这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的.表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。

磁性纳米材料的应用磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热.基于这些特性,磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面.（一）生物分离生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用(如抗原-抗体和亲和素—生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。

传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程,这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低,接触有毒试剂，很难实现自动化操作.磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。

因此,可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。

此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性,不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。

通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：(1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上;（2)利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来.①细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。

传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法.这些方法虽然操作简单,但是特异性差，而且纯度不高,制备量偏小，影响细胞活性.但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。

磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物,利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。

纳米材料的四大效应
纳米材料的四大效应
1、体积效应
当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。

纳米粒子的以下几个方面效应及其多方面的应用均基于它的体积效应。

例如，纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉粉冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一种频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁屏蔽，隐形飞机等。

 
2、量子尺寸效应
粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。

Kubo采用一电子模型求得金属超微粒子的能级间距为：4Ef/3N。

磁性的经典理论磁性的经典理论在奥斯特、法拉第、麦克斯韦、洛仑兹等前辈科学家探索的基础上，人类大致形成了有关磁的经典理论，之所以称之为经典，是因为这些理论与我们稍后讨论的思想大相径庭。

以慧心理论为基础形成的有关磁的思想，是对磁性的经典理论的继承和发展。

以慧心理论为基础来认识磁现象的本质，会不会变得简单，更符合自然呢?1、磁性从何而来?奥斯特发现电流的磁效应之后，有些物理学家认为，有些物质(如铁)所表现的宏观磁性也来源于电流。

(那时还未发现电子。

)1822年，安培提出分子电流假说来解释物质的磁性。

磁性物质的分子中，存在着回路电流，称为分子电流("安培电流")。

分子电流的磁效应相当于一个小磁针。

当分子处于杂乱无章的状态，各个分子之间磁效应相互抵消，对外不表现磁性;当分子处于有序状态，各个分子之间磁效应相互加强，对外表现磁性。

物质磁性决定于物质内的分子电流。

电流是磁现象起源的思想影响至今。

十九世纪上叶，法拉第发现，物质在磁场的作用下都表现出一定程度的磁性，除了极少数像铁那样的强磁性物质外，一般物质的磁化率的绝对值都很小，具体可以为两类。

一类物质的磁化率是负的，称之为抗磁性物质。

这类物质在磁场中获得的磁矩方向与磁场方向相反，故在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向，即被磁场排斥。

另一类物质的磁化率是正的，在不均匀磁场中被推向磁场增强的方向，即被磁场吸引，法拉第称之为顺磁性物质。

像铁那样强的磁性显然是特殊的，应另属一类，后称铁磁性。

在法拉第以后的近百年时间里，物质的磁性就这样分成三大类。

直到1932年，法国科学家尼尔(LouisEugeneFelixNeel,1904~)增加了第四类:反铁磁性。

他提出了一种晶格模型，它由两套格子交错而成，而其磁场以相反方向作用，使可观察到的场互相抵消。

他还证明，这种有序状态在某一温度时会消失(反铁磁性物质磁性特征是磁化率几乎为零。

这种现象的存在与温度有关，只在某个温度以下才出现)，这个温度现在称为尼尔点，与铁磁现象中的居里点相类似。