分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应
纳米材料与软物质的研究现状、应用及未来发展
纳米材料与软物质的研究现状、应用与未来发展
1引言
1990年，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议同时在美国巴尔的
摩举办，《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际专业期刊相继问世，标志一门崭新的科学技术——纳米科技的诞生。从此纳米科技得到科技界的广泛关注，并迅猛发展。
1991年，诺贝尔得主、法国物理学家P.G. De Gennes在诺贝尔授奖会上以“软物质（Soft Matter）”为题进行演讲，提出了软物质的研究，统一了欧洲科学家笔下的“软物质”与美国科学
家口中的“复杂流体”两个称呼。从此，软物质研究作为物理学的一个重要研究方向得到了广泛的认可。
纳米材料与软物质的研究都是从20世纪80年代开始的，是在之前三次工业革命的基础上发展起来的的新兴科技领域。巨大的需求与技术支撑，使其在诞生之初就显现出蓬勃的生命力，而且对它们的研究经久不衰。在知识与学科互相交叉的今天，纳米材料与软物质有可能相互结合，在材料、生物、医学、高分子等领域开拓出一片片新大陆，筑起21世纪工业革命的基石。
2纳米材料的概念
广义的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。按照维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：
零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度的材料，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；
一维，指在空间有两维处于纳米尺度的材料，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；
二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜、多层膜、超晶格等。
纳米科技是面向纳米材料的运动规律和相互作用并在应用中实现特有功能和智能作用的技术问题，发展纳米尺度的探测和操纵。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。扫描隧道显微镜（STM）在纳米科技中占有重要
量子隧道效应
1957年江崎玲於奈发明了隧道二极 管。它是高掺杂半导体形成的窄的PN结 ；当它加上前向偏压时,N区电子可以通 过隧道效应，穿过禁带进入P区中价带 的空状态。随所加的偏压增大，开始时 隧道电流变大（可以进入的空状态增多 ）；随后到达极大值然后逐渐下降（可 以进入的空状态减少），最后下降到零 （可以进入的空状态没有了）。
• 隧道二极管正向伏安 特性中有一段负阻区，而 且它还是一种多数载流子 效应,没有渡越时间的限 制,所以隧道二极管可用 作低噪声的放大器、振荡 器或高速开关器件，频率 可达毫米波段。它作为器 件的缺点是功率容量太小。 隧道过程中,常常有电子 －声子相互作用或电子杂质相互作用参加。从隧 道二极管的伏安特性上可 分析出参与隧道过程的某 些声子的频率。在势垒区 中的光吸收或发射中,隧 道效应也起着作用,这称 夫兰克－凯尔德什效应。 杂质的束缚电子态和能带 中电子态之间的隧道也观 察到。
极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子 带电子的自旋平行，这样，隧道电导过程中一个电 极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找
电 少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必须与两极 的磁化方向平行时的电导有所差别，将隧道电导与
阻 铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应
效 应
（magneticvalveeffect）。
中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘
凝聚态物理学的历史发展和现状
凝聚态物理学的历史发展和展望
摘要：凝聚态物理学已经成为当今物理学中最大的、最重要的分支学科。其中很多活跃的领域的成果对日常生活产生了巨大的影响。本文对凝聚态物理学的历史发展过程简要的介绍，并且结合当今凝聚态物理学的现状作出展望。
关键词：凝聚态物理学历史发展现状展望
正文：
凝聚态是固态和液态的通称，凝聚态物理学是研究固体和液体的基础性学科。此外凝聚态物理学还研究介于固、液态之间的物态（例如液晶、玻璃、凝胶等）、稠密气体和等离子体，以及只在低温下存在的特殊量子态（超导体，玻色-爱因斯坦凝聚体等）。凝聚态研究的物质的尺度从几米到零点几纳米,时间范围为几十年到10-15秒,能量范围(以绝对温度来标志)从几千开到纳开,粒子数通常在1027—1021(接近于热力学极限),在有些特殊情况下也会遇到很少的粒子数(103—101)。这一物质层次的一部分是我们感官能够直接察觉到的,而其中的许多细节则可以借助各种显微技术来观察到。因而毫不奇怪,这一物理学分支会影响到我们的日常生活。
下面我们先来介绍一下凝聚态物理学的历史发展。
一．凝聚态物理学的历史发展
1. 凝聚态物理学的萌芽时期——固体物理学的建立
固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。
1928年,Bloch在处理周期结构中电子的传播时,提出了能带理论,从而使固体物理的范式基本建立,其核心概念是周期结构中波的传播。弹性波或晶格波的传播,属于晶格动力学;X射线在晶格中的传播,牵涉到X 射线衍射动力学;然后是de Broglie波,即电子在晶格中的运动,这类似于能带理论。考虑电子系统填充,若能带填满是绝缘体或半导体,若能带未填满则是导体。固体能带论与晶格动力学构成固体物理学两大理论支柱。40年代之后,由于范式的建立,固体物理学有了爆炸式的发展。近年来,此范式又有了新发展。人们关切电磁波的传播是否也存在能带和能隙。Yablonvitch等从实验上观察到,对某种微结构存在着微波辐照上的完整带隙。目前有关光子的能带和能隙结构已得到了证实。
材料物理导论名词解释 南理工
光电效应：是指在光的作用下从物体表面释放电子的现象
康普顿效应：x-ray 被物质散射时，测到了波长改变的现象。
量子围栏：蒸发到铜(111)晶面的铁原子用扫描隧道显微镜的探针排列成的园环。
几率密度：代表电子出现在 (x,y,z) 点附近单位体积中被测到的几率的大小
量子力学的基本原理：Born 提出的波函数的几率解释
本征方程、本征值、本征函数:算符作用于函数u 上等于常数f 与u 的乘积 u = f u 量子隧道效应：粒子在能量E 小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象
电阻率（电导率）：是物质的本征参数，用来表征材料导电性
表征材料导电性的微观物理量：载流子浓度和迁移率
自由电子气模型：金属中电子共有化，好比理想气体，彼此之间没什么相互作用，各自独立
地在势能等于平均势能的场中运动，因而不受外力作用，只是到金属表面时才受到突然升高
的势能的阻挡
马蒂森定则：金属的电阻率可表为0()()e T T ρρρ=+。 ()e T ρ由于声子对电子的散射所引
起的，称为本征电阻率。0ρ杂质或缺陷对电子的散射产生的，与温度无关，称剩余电阻率。
能带理论：预言固体中电子能量会落在某些限定范围或“带”中
布洛赫定理：周期性势场中的波函数()()ikx k x e u x ψ=⋅
禁带：在诸能量断开的间隔内不存在允许的电子能级
（原因：是在布区边界上存在布拉格反射.）
能带: 包括允带和禁带。
允带（allowed band ）：允许电子能量存在的能量范围。
禁带（forbidden band ）：不允许电子存在的能量范围。
布里渊区：将标志电子状态的波矢k 分割成许多区域，这些区域
作为单分子磁体的分子自旋电子研究进展
单分子磁体与分子自旋电子材料
Single-Molecule Magnets and Materials of Molecular
Spintronics
姜国民陈婷婷史传国江国庆*石玉军*
南通大学化学化工学院
摘要：近年来，自旋电子和分子电子两个新颖学科在电子学研究中取得了革命性的进展。这两个领域的基础桥梁是分子磁材料，尤其是单分子磁体。分子自旋电子是在分子水平上对电子自旋和电荷进行研究，电子装置中包括一个或多个磁性分子，如分子自旋晶体管、分子自旋电子管和分子多量子点装置等。建立在分子水平上的自旋电子磁材料，在信息储存和量子计算等方面上具有潜在的应用价值。本文结合自己在这方面的研究和理解，介绍了作为磁性分子的单分子磁体在自旋电子器件研究中的最新成果。
关键词:自旋电子单分子磁体磁性质
1、引言
在基础和应用研究中，电子和自旋自由度的研究和开发是很有前途的领域[1]。近十年来，自旋电子学科从基础物理到技术装置已经有了很大的进展[2]。人们开拓了自旋电子体系这样的事实：电流是由向上和向下两个方向的电子流动产生的，电子的自旋状态实现了信息的编码和磁性材料之间的不同作用。在没有外场和低能量的条件下，通过自旋的持久性进行信息编码的优势很小。新的努力方向是直接得到具有持久的量子相干自旋电子装置，这一装置已经从金属、半导体[2,3]到有机材料[4]方面进行了基础研究。后者在实际中得到了应用，如有机光放射二极管和有机晶体管的研制使电子装置达到了分子水平[5]。
分子自旋电子是用一个或几个磁性分子建立的分子装置[6]。作为磁性分子的单分子磁体在低温时磁化强度的弛豫时间非常长（2K以下，达到数年时间[7]）。其在高密度信息储存和量子计算方面的优势在于，在分子水平上兼有块状磁材料的性质和长相干时间[8]。建立在磁学行为的单分子磁体具有丰富的物理效应，如负微分电导特性和完全的电流抑制[9]，这些性质可用在电极上。此外，还可将一些特殊的功能（如作为光和电场的开关等）直接整合到分子水平上。关于单分子磁体在自旋电子器件中的基础和应用研究，国际著名课题组Wernsdorfer[10]作了很好的综述。本文在理解和吸收该文的基础上，对单分子磁体在分子自旋方面的研究和应用潜力，及其在将来的研究中所面临的挑战和机遇作一介绍，以期引起国内化学和物理学研究者更为广泛关注。
纳米材料的发展历史现状及
量子尺寸效应 小尺寸效应 表面与界面效应 宏观量子隧道效应 介电限域效应
量子尺寸效应（The quantum size effect ）
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。
早在20世纪60年代，久保（Kubo）采用一电子 模型求得金属纳米晶粒的能级间距δ 为： δ =4Ef/3N 式中：Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。
小尺寸效应 （Small size effect ）
当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理 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。
硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒
在后来的催化剂的研究中，人们制备了铂黑，这大约是纳米金属 粉体的最早应用。但是把纳米材料正式作为材料科学的一个新的 分支是1990年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技 术学术会议上确定的。 所以将1990年七月以前作为纳米材料发展的第一阶段，在这之 前，从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手 段制备不同材料的纳米粉末，合成块体（包括薄膜），研究评估 表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性，但研究大 部分局限在同一材料。
量子隧道效应
利用金刚石针尖制成以SiO2膜或Si3N4膜悬 臂梁（其横向截面尺寸为100μm×1μm，弹性系 数为0.1～1N/m），梁上有激光镜面反射镜。当 针尖金刚石的原子与样品的表面原子间距离足够 小时，原子间的相互作用力使悬臂梁在垂直表面 方向上产生位移偏转，使入射激光的反射光束发 生偏转，被光电位移传感器灵敏地探测出来。原 子力显微镜对导体和绝缘体样品都适用，且其分 辨力达到0.01mm（0.1A），可以测出原子间的 微作用力，实现原子级表面观测。
由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之 间距非常敏感，如果距离 S 减小0.1nm，隧道电流 I 将 增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电 流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫 描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了 样品表面的起伏 。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹 直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面 态密度的分布或原子排列的图象。这种扫描方式可用于 观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动 器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用 的扫描模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖 高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面 态密度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能 够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观 察表面起伏大于1nm的样品。
谢 谢 观 看！
物理学院 0710249 檀洪伟 0710247 孙希鹏
纳米材料的种类和性质
纳米材料的种类和性质
摘要：本文简述了纳米材料的基本概念、种类和性质。
关键词：纳米材料；概念；性质；种类
正文：
1纳米材料概念：
从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
2纳米材料种类：
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
2.1纳米粉末：
又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
(最新整理)分子磁体的磁性
(完整)分子磁体的磁性
编辑整理：
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本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)分子磁体的磁性的全部内容。
1。单分子磁体的磁性来源于分子本身, 每一个分子相当于一个孤立的“磁畴"。未磁化时，单分子磁体具有分子磁化强度相反取向的双稳态, 两者布居数相当, 磁化强度的矢量和为零; 当施加一个磁场时双稳态的平衡被打破, 与磁场平行的能态具有更低的能量和更多的布居数, 磁化强度的矢量和不为零; 去磁时,在分子磁化强度矢量重新取向时产生一个能量壁垒，当温度降低甚
至低于翻转的能垒时, 翻转速率会减慢, 产生磁化强度的慢磁弛豫行为.
翻转能垒的高度决定了单分子磁体的阻塞温度。对于阻塞温度, 通常认为是在该温度下表现出磁体的行为，但是严格来说有 3 种定义［9]: (1)交流磁化率的虚部在特定的频率出现峰值的温度; （2)样品能观察到磁滞回.
出现峰值的温度. 这三种方法确定的阻塞温度可能会相差很多, 文献最常报道的阻塞温度则是指观察到磁滞回线的温度, 另外文献中也常把弛豫时间达到 100 s 时的温度定义为阻塞温度. 在本文中, 阻塞温度指的是观察到磁滞回线的温度。
量子隧穿效应 - 维基百科,自由的百科全书
隧穿效应的例子
阿尔法衰变就是因为阿尔法粒子摆脱了本来不可能摆脱的强力的束缚而“逃出”原子核。扫描隧道显微 镜是量子隧穿效应的主要应用之一。扫描隧道显微镜可以克服普通光学显微镜像差的限制，通过隧穿电子 扫描物体表面，从而辨别远远小于光波长的物体。
理论上，宏观物体也能发生隧穿效应。人也有可能穿过墙壁，但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿 过墙壁，其实际上几乎是完全不可能，以至于人类历史以来还没有成功的纪录。
质子-质子链反应也是量子隧穿效应的例子之一。
有科学家认为，化学反应中的量子隧穿效应是宇宙中众多有机分子得以合成的基础，也有可能是合成早期 生命所需的有机化合物的重要机制。外太空中，温度极低，并且存在着大量的氢元素和氦元素，和大量 的甲醛分子作合成原料，这些因素，都有利于量子隧穿效应的发生。通过很多类似的反应，可以由简单的 无机原料，突破传统化学反应的禁阻，合成很多复杂的有机化合物。这些有机分子很可能与生命起源有重 要关联。
正在接近一个位势垒的一个电子，必须表达为一个波列。有时候，这波列可能会相当长。在某些物质里， 电子波列的长度可能有10至20纳米。这会增加模拟动画的难度。假设可以用短波列来代表电子，那么，右 图动画正确地显示出隧穿效应。
隧穿效应的数学解析有一个特别问题。对于简单的位势垒模型，像长 方形位势垒，薛定谔方程有解析解，可以给出精确的隧穿概率，又称 为穿透系数。这一类的计算可以清楚的表明隧穿效应的物理内涵。更 进一步，物理学家很想要能够计算出更合乎实际物理的隧穿效应。但 是，在输入适当的位势垒数学公式于薛定谔方程后，大多数时候，我 们会得到一个棘手的非线性微分方程。通常，这类微分方程没有解析 解。很早以前，数学家和数学物理家就已经在研究这问题了。他们研 究出一些特别的方法来近似地解析这些方程。在物理学里，这些特别 方法被称为半经典方法。一个常见的半经典方法是WKB近似（又称为 JWKB近似）。最先为人所知的尝试使用这类方法来解答隧穿问题，发 生于 1928 年，用在场电子发射（field electron emission）问 题。N. Fröman和P. O. Fröman 两位物理学家于1965年最先得到完全 正确的数学答案（他们也给出了合理的数学论证）。他们的复杂点子 还没有被写入理论物理教科书。当今的理论物理教科书所讲述的方法 比较简单，比较不精确。稍后，我们会简略的讲述一个个别的半经典 方法。
1纳米材料的神奇特性及其广阔的应用前景
一、纳米材料的显著性质及其广阔的应用前景
1.表面效应
球型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。尤其是当物质的尺寸减小到纳米级，将引起表面原子数、表面积、表面能的迅速增加，引发物质化学活性、光学、热学和电学性质的改变。这是因为表面原子的晶体场和结合能与内部原子的不同，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，易与其它原子相结合而稳定下来，具有很大的化学活性，从而使表面能大大增加。
纳米颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。
2.小尺寸效应
当物质的体积减小时，将会出现两种情形：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化，当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化，这就是纳米材料的体积效应，亦即小尺寸效应。
这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；利
纳米材料四大效应及相关解释
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
磁纳米颗粒
磁纳米颗粒
1．磁纳米颗粒的简介
磁性纳米颗粒是一种处于纳米级（1~100nm）的磁性材料，目前使用以铁及铁系氧化物居多。因其处于纳米量级，所以具备了以下特性：
（1） 表面与界面效应
（2） 小尺寸效应
（3） 量子尺寸效应
（4） 宏观量子隧道效应
磁性材料往往自身呈现多磁畴结构以降低体系的退磁场能，当粒子的尺寸处于单畴范围时，则具备高的矫顽力，同时具备较低的居里温度。磁性材料在温度增高到某一点（居里温度）时，可以从铁磁体转换为顺磁体。处于铁磁体下的物质，自身磁场很难被改变，而顺磁体下的物质，自身磁场很容易随外磁场变化而改变。而当磁性颗粒足够小时（纳米级），在常温下即可出现磁极的随意行，称为超顺磁现象。超顺磁状态下的磁性材料无矫顽力和剩磁。
磁性纳米颗粒行成以磁性材料为中心，可包被生物高分子的核壳结构，不但具备良好的磁导向性，也具有良好的生物相融性，可与多种功能分子结合，如蛋白质，核酸，生物素等，有望在细胞分离，固定化酶和免疫诊断及靶向运输等方面得到广泛应用。
2．磁纳米颗粒的应用
（1） 磁纳米颗粒的靶向运输
磁性纳米颗粒是一种纳米级的高分子物质, 其靶向性可分为被动靶向和主动靶向。
细胞内的溶酶体是纳米颗粒的被动靶向点, 纳米颗粒进入循环系统, 被网状内皮系统(RES)摄取,60%～90%分布在肝内, 其次是脾、骨髓。这对于治疗与RES 有关的疾病是十分有利的。同时, 纳米颗粒的被动靶向性与其粒径大小相关: 纳米颗粒在它们到达靶部位前必须通过毛细血管内皮, 大多数粒径>7μm 的微粒,被肺毛细血管所滞留，粒径>100nm 的微粒被肝和脾摄取，小于100 nm 的微粒被骨髓细胞吞噬。因此可利用这个特点将纳米颗粒定向于相应靶器官。
最大磁力矩
最大磁力矩
简介
在物理学中，磁力矩被定义为磁体在外磁场中受到的力矩。最大磁力矩则表示在给定条件下，一个物体所能产生的最大力矩。磁力矩在电动机、磁共振成像等领域应用广泛，对于理解物质的磁性行为和磁场的作用有着重要意义。
磁力矩的定义
磁力矩是一个描述物体磁性行为的物理量。它的定义可以根据不同的情况有所差异，下面分别介绍两种常见的磁力矩定义方式：
宏观磁力矩
对于宏观物体而言，磁力矩可以通过以下公式来表示：
M = m × B
其中，M为磁力矩，m为物体的磁矩，B为外磁场的磁感应强度。
磁矩可以理解为一个物体在磁场中所产生的磁场的大小和方向。宏观物体的磁矩可以通过磁偶极子模型来描述，即：
m = m0 × V
其中，m0为单位体积的磁矩，V为物体的体积。
微观磁力矩
对于微观颗粒而言，如原子、分子等，磁力矩的计算需要考虑到量子力学效应。量子力学中，电子自旋和轨道运动都会导致磁矩的产生。微观磁力矩的计算比较复杂，需要使用量子力学理论进行详细的描述。
最大磁力矩的产生
要实现最大磁力矩的产生，需要考虑以下几个因素：
1. 材料选择
不同的磁性材料具有不同的磁性特性，选择合适的材料对于最大磁力矩的实现至关重要。常见的磁性材料有钕铁硼、永磁铁氧体、钴钢等。
2. 外磁场的强度
外磁场的强度直接影响到最大磁力矩的大小。当外磁场强度达到一定值时，磁物体的磁化达到饱和状态，此时最大磁力矩出现。
3. 磁场的方向
磁场的方向对于最大磁力矩的产生也有影响。当磁物体和外磁场的方向一致时，磁物体的磁化程度会更高，最大磁力矩也会相应增大。
4. 磁体形状和尺寸
磁性粒子的时间反演对称性和旋转对称性效应
这样就可以看出，即便在 E < V0 的情况下，透射系数 T 也并不为零，也就是说粒 子有可能穿透比它动能能量更高的势垒，这种现象便是隧穿效应。
功能材料知识点整理及参考答案
一、绪论
功能材料的性能本质:外界因素（如外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等）作用于某一物体，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系。
材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的内部结构来料加工看，可分为四个层次：原子结构——结合键——原子排列方式——显微组织
材料研究的四要素：性质、结构与成分、合成与加工、使
用性能
一次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于
同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用，称这种功
能为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又被称为载
体材料。
二次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换作用，称这种功能为二次功能或高次功能。（功能转换材料）
材料设计可以从电子、光子出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。
金属功能材料的功能设计主要有两个方面：（1）寻找具有特定功能的金属材料；（2）利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。
无机非金属功能材料的功能设计：（1）根据功能的要求设计配方；（2）根据功能的要求设计合适的加工工艺。
功能高分子材料功能设计：（1）通过分子设计合成新功能；（2）通过特殊加工赋予材料以功能特性；（3）通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能；（4）通过对材料进行各种表面处理以获得新功能。
生物医用材料：作为生物体部分功能或形态修复的材料。
能源材料：正在发展，可能支撑新能源体系的建立，满足新能源及节能技术所要求的一类材料。（新能源材料、节能材料、贮能材料）
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子， 例如 2+)# ，2+% ，10’ 等可被看作单畴磁性粒子( 在阻塞温度之下， 单个磁性分子既表现出宏观磁体 特性 （ 例如磁滞回线） ， 也呈现纯量子行为 （ 例如磁 化矢量量子隧穿和宏观量子态相干） ( 分子磁体有 稳定的结构和优良的全同性， 成为目前磁性宏观量 子效应实验的首选材料( 量子隧穿导致宏观量子态 相干叠加， 这正是量子计算所要求的特性( 而从信息 存储的观点， 量子隧穿则引起信息遗失( 因而在实验 和理论研究的基础上建立和环境耦合的单分子磁体 动力学理论， 进而形成控制单分子量子特性的技术， 有重要的学术意义和技术应用价值(
宏观上稳定的态之间可通过量子隧穿相干关联& 随
［ M —L ］ 着单畴磁体中隧穿率理论计算的研究进展 ， 纳
米磁体中宏观量子效应的实验和动力学理论研究成 美国物理学会把磁 为近年来的热点课题& KOO$ 年， 的宏观量子效应列为凝聚态物理的重点研究方向之 一& 其实， 早在 N# 世纪 M# 年代就有关于磁的宏观量
发跃迁到较高能级， 量子隧穿在高能级进行. 当温度 低于 1. 34 时， 磁滞回线与温度无关 . 除 5%20 分子 磁体外， 在 6-7 和 5%/ 超分子二聚物 （ ［ 5%/ ］ 的低 0） 温实验 中 也 观 察 到 了 类 似 的 磁 滞 回 线 量 子 化 台
［ 0! ， 0/ ］ 阶 .
磁滞回线量子化台阶可由 2+)# 分子自旋态之 间的热助量子隧穿解释( 2+)# 有极强的单轴各向异 性， 无外场时， 每个 2+)# 分子都有一双重简并基态 （ # : < )$ ） 对应自旋平行和反平行于易轴取向( 两 简并基态被各向异性势垒分离， 是宏观可区分态( 外 加磁场使一态能量升高另一态降低， 低温下弛豫过
［ K —$ ］ 特性 ， 纳米磁体磁化矢量的隧穿即一种宏观量
即薛定谔 （ H=@3I:-1243） 猫态的相干叠加是自量子力 学建立以来极 具 挑 战 性 的 问 题& N# 世 纪 V# 年 代， N##$ 年的诺贝尔奖得主 ’422499 等指出， 宏观可区分
［ Q］ 态的相干叠加可通过量子隧穿实现 ， 也就是说，
评! 述
分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应 !
梁! 九! 卿 "
（ 山西大学理论物理研究所! 太原! #$###% ）
摘! 要! ! 文章介绍了分子磁体中的量子隧穿和宏观量子效应理论和实验研究的新进展& 分子磁体既有宏观磁体 特性也呈现纯量子行为， 例如磁化矢量的量子隧穿& 文章作者解释了如何通过量子隧穿实现宏观量子相干 （ 即薛定 谔猫态的相干叠加） 和量子态位相干涉& 对隧穿率计算的瞬子方法， 特别是有限温度隧穿理论及其在分子磁体量子 隧穿中的应用也做了简要的阐述& 关键词! ! 分子磁体， 量子隧穿， 宏观量子效应， 瞬子
［ )， )) —)* ］ 果 ( 近几年来的重大发现是， 某些磁性大分
图 )! 2+)# 的结构示意图 （ 外层黑色和中间影线大圆分别表示 2+" 9 和 2+% 9 ）
（ 见图 " ） ， 而低磁场区的台阶变得平滑( 改变磁场方 向发现， 量子化台阶的出现只与磁场平行于分子磁 体易磁化轴的分量有关( 此外， 实验还显示， 弛豫时 间随外磁场振荡( 弛豫时间的极小值对应隧穿率的 极大值， 即对应磁滞回线上的跳变( 用交流磁化实验 测得 2+)# 分子团簇自旋 ! : )$( 相邻分子间的平均 距离为 )*;， 因而可忽略分子间的相互作用( 图 # 可
图 =" 6-7 分子团簇结构示意图 ［ 摘自 FFF. GHB. $H& C I)##-(’% C J$K-GI-H， 0111 ］
2880 年， L$BB 等人根据自旋相干态路径积分的 观点指出， 几何位相的存在导致磁体总自旋为半整 数时隧穿劈裂淬灭， 这一现象可用 4H+G-H 简并解
［ 03 ］ 释 . 后来 M+H& 在分析隧穿路径位相相干的基础
（ 批准号： K##LM#$N ， KOLLM#$$ ， KO%LLK#K ） 资 !! 国家自然科学基金 助项目 N##$ P KN P $# 收到初稿， N##Q P #$ P #M 修回 "! R/?B->： SC>-B12T CA.& 4:.& =1
子现象& 量子态位相及相干是量子力学的核心概念，
!"#$%"& %"$$’()$* #$+ &#,-./,.0), 1"#$%"& ’22’,%/ )$ &.(’,"(#- &#*$’%/
’()*+ ,wenku.baidu.com./0-12 "
（ !"#$%$&$’ () *+’(,’$%-./ 0+1#%-#，2+."3% 4"%5’,#%$1，*.%1&."6 #$###% ，7+%".）
・ &%$・
磁场值 （ $( %%- ） 间隔处出现台阶， 而在磁场降低方 向则没有( 当温度降低时， 在高磁场区出现新的台阶
! "" 卷（ #$$% 年） &期
评" 述 中 & % A 1. !!74，& & C & % A 1. D!. E " 方向是分子磁 体的两个简并宏观量子基态 （ 易磁化方向） ， 可通过 量子隧穿关联形成相干叠加态 （ 即薛定谔猫态的相 干叠加） ， 即分子磁体在两易磁化方向间通过量子 隧穿往复振荡. 结果简并解除， 能级劈裂. 该隧穿能 级劈裂可用磁共振吸收实验测量.
上预言， 在双轴自旋模型难磁化轴方向加一磁场， 会
［ 0D ］ 引起隧穿劈裂随外磁场振荡 . 2888 年， N-H%B*$H,O
-H 和 P-BB$#’ 在 6-7 分子团簇中观察到了这一振荡现
图 /" 共振和热助隧穿示意图
［ 07 ］ （ 实验温度 ( Q !=1G4， 先用微超导量子干涉 象
仪 （ G’;H$OPRSTUB） 测隧穿几率， 然后用 L+%*+) V W-O !" !# $%& 分子磁体中的宏观量子相干 6-7 分 子 是 287/ 年 首 次 合 成 的， 分子式为 ［ 6-7 9（ （ (+;% ） 其中 (+;% 表示有机配位 0 9: ） 20 3］ ， 7 个 6-! < 离子 基. 6-7 分子团簇的结构如图 = 所示，
・ :99・
物理
评! 述
［ ’］ 子效应的推测 ， 但由于理论和实验方面的困难，
没有引起重视( 纳米磁体中的宏观量子效应指磁化 矢量 （ 宏观可测量） 的量子隧穿和磁化矢量在稳定 取向 （ 即宏观量子态） 之间通过量子隧穿往复振荡 （ 宏观量子相干） ( 实验上观察到的磁滞回线量子化 台阶和磁化矢量相干隧穿引起的共振吸收谱， 以及 磁弛豫时间的低温反常是公认的宏观量子现象( 纳 米磁体宏观量子效应实验可用来检验量子力学的基 本原理和宏观极限， 同时它还和信息储存技术密切 相关 ( 原则上每个单畴纳米磁体可以储存一个比特 信息， 其中磁化矢量的两个稳定取向作为储存单元 的两个状态( 无外场作用时两状态保持稳定， 因而可 储存信息( 为提高计算速度和 " 加存储密度， 必须 减小存储单元尺度( 当尺度小到出现量子隧穿时， 磁 化矢量通过量子隧穿自动翻转， 信息遗失( 因此， 宏 观量子相干隧穿最终限制了信息存储密度和计算速 度( 早期实验多用天然磁性颗粒， 例如在平均尺度 为 )*+, 的铁磁颗粒（ -.$( * /0$( * 10$( * ）中观察到低 温下弛豫时间不随温度变化的反常现象( 但是在天 然和人造铁磁颗粒中做的宏观量子相干实验， 因铁 磁 颗 粒 缺 乏 全 同 性， 未能得到令人信服的结
34/%-#,%5 5 ) 345-46 -7 83474194: ;< 34=419 :454>;8?4197 -1 9@4 4A843-?419B> B1: 9@4;349-=B> 79.:-47 ;< C.B1/ 9.? 9.114>-12 B1: ?B=3;7=;8-= C.B19.? 4<<4=97 -1 ?;>4=.>B3 ?B21497 6@-=@ 4A@-D-9 D;9@ ?B=3;7=;8-= B1: C.B1/ 9.? D4@B5-;3，<;3 -179B1=4，C.B19.? 9.114>-12 ;< 9@4 ?B2149-EB9-;1 54=9;3& F4 4A8>B-1 @;6 9; 34B>-E4 ?B=3;/ 7=;8-= C.B19.? =;@4341=4，1B?4>G 9@4 7.8438;7-9-;1 ;< H=@3I:-1243 =B9 79B947 B1: C.B19.? 8@B74 -1943<4341=4 DG ?4B17 ;< C.B19.? 9.114>-12& J@4 -179B19;1 ?49@;: <;3 45B>.B9-;1 ;< 9.114>-12 3B947 B9 9@4 23;.1: B1: 4A=-94: 79B947 -7 B>7; -193;:.=4:& 6’7 8.-+/5 5 ?;>4=.>B3 ?B2149 ，C.B19.? 9.114>-12，?B=3;7=;8-= C.B19.? 4<<4=9 ，-179B19;1
图 !" 高纵向磁场 （ #$%&’()*’%+# ,’-#*） 区磁滞回线局部
程由量子隧穿引起. 每当左右势阱能级相等时， 发生 量子隧穿， 称为共振隧穿. 磁滞回线的每一台阶对应 一共振隧穿 （ 如图 / 所示） . 因基态隧穿率很小 （因 而弛豫时间十分长） ， 弛豫过程被认为是由热助隧
［ 01 ， 02 ］ 穿产生 ， 图/ （ 右） 解释了这一过程： 通过热激
也是量子信息工程的基础& 是否存在宏观可区分态，
K! 引言
量子力学是支配物质世界运动和变化规律的基 本法则， 而描述宏观现象的经典力学一般地说只是 量子力学在宏观尺度下的近似& 通常宏观系统的量 子效应并不显著， 但在特定的系统中， 量子现象也可 在宏观尺度下表现出来， 称为宏观量子效应& 例如， 液氦中的超 超导体中的约瑟夫森 （ ,;748@7;1 ）隧穿， 流动性， 以及玻色 P 爱因斯坦（ U;74 P R-1794-1 ）凝 聚等都是众所周知的宏观量子效应例子& 随着半导 体微电子技术的发展， 磁性材料的制备和研究已进 入纳米尺度& 低温下纳米磁体已表现出明显的量子
#! 分子磁体中的宏观量子效应及实验
图 #! 2+)# 分子团簇的低温磁滞回线 （ "$ 表示外磁场）
! ( "# 磁滞回线量子化台阶 )334 年， " 个实验组分别在高自旋大分子醋酸 锰 （ 简称 2+)# ， 分子结构如图 ) 所示） 的低温磁滞回
［ )4 —)3 ］ 线上观 测 到 有 规 律 的 量 子 化 台 阶 ( 图# 是 ［ )3 ］ -56,78 等人的实验结果 ( 在磁场增加方向相等
物理
发现， 分子基态自旋 ! A 21. 6-7 分子有双轴各向异 性， 我们选易和难磁化方向分别为 " 和 # 轴， 则各向 异性能可表示为 $ % & % ;$B0 ! ’ & & B’%0 !B’%0 " ， 其
・ )(’・
评! 述
图 &! 弛豫时间的温度依赖关系 （ 箭头所指为偏离 <**=9,>?- 定律， 单位 "- ） ［ 摘自 DDD3 ;*-3 "$ 表示时间， E*F G 1?HH9)>, G IEJ9;19*#$$$ ］
密顿量描述， 即 + $ , % +-# +# " ) . ,& -/ ， （0） 其中各向异性常数均为正值， 且 , % K , & 3 若不存在 量子隧穿， 则磁化矢量沿 / * 取向是两宏观稳定态， 即宏观简并基态， 记为 ’ 〉 ， (〉 3 磁化矢量 （ 宏观 量） 的量子隧穿导致两简并宏观态相干关联， 能级 分裂3 结果是 0 ） ， # 9 〉 $ （ ’〉. (〉 # ! 0 ） ， （#） # E 〉 $ （ ’〉& (〉 # ! 其中偶 态 # 9 〉 能 量 较 低， 是 磁 体 的 基 态， 而奇态 是第一激发态3 # 9 〉 ， #E 〉 是宏观量子叠加态， #E 〉 即薛定谔猫态的相干叠加3 解含时薛定谔方程容易 发现， 分子磁体磁化矢量在两易磁化方向 （ 宏观简 ! 3 "# 磁弛豫实验 纳米铁磁颗粒的低温弛豫反常是最早确认的宏 观量子效应实验3 044# 年， 5+*1+*+ 小组研究了铁磁 颗粒 （ 61$3 7 89$3 7 :9# ） （ 平均尺寸为 07,; ） 中的弛豫
［ 0= ］ 形成 “ 蝶形分布” . 高频电子顺磁共振 （ >?@） 实验 7<
%-H 公式计算隧穿劈裂） . 图 3 是实验观察到的隧穿
［ 07 ］ 劈裂随外场的变化 ， 其中 " 是外磁场方向和难磁
化轴的夹角. 对于小角度 "， 隧穿劈裂随外磁场振 荡. 当 " 角增加时， 振荡逐渐消失. 图 3 （ I） 是在态 ) A V 21 和态 ) % ! * + 之间共振隧穿劈裂随外磁场 的振荡 （ " A 1） ， 其中 B 为自旋量子数 + 是小于或等 于 ! 的整数. + 为奇数和偶数时有半周期相移， 称为 宇称效应.