在微观世界里，元素的原子展现出独特的特性，如钠原子的黄色光谱线，这与量子力学的能级理论相吻合。当无数原子组成固体，原子的能级会合并成能带，对于大块材料，能带表现为连续的能量状态。然而，对于超微颗粒，这连续的能带会分裂为离散的能级，且颗粒尺寸越小，能级间距越大。当热能、电场或磁场能量小于这些间距时，就会出现与宏观世界不同的量子尺寸效应，如金属微粒可能转变为绝缘体，磁矩与电子数奇偶性相关，比热也会出现异常，光谱线向短波长移动。
电子的双重性——粒子性和波动性，导致了量子隧道效应。令人惊奇的是，宏观物理量如微颗粒的磁化强度和量子器件中的磁通量，也显示出量子隧道效应，被称为宏观量子隧道效应。这种效应对于未来的微电子、光电子器件具有重要影响，可能决定了现有器件微型化的极限。例如，当半导体集成电路的电路尺寸接近电子波长时，电子会通过隧道效应逸出，导致器件失效。传统电路的极限尺寸大约是0.25微米，而量子共振隧道晶体管正是利用这些量子效应来实现新一代的器件设计。
纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。