按沉积序列，金属超晶格可分为周期的和准周期的两类。

超晶格的物理构思源于江崎玲於奈（L.Esaki）和朱兆祥。天然晶体的晶格周期性在很大程度上决定了材料的物理性质。如果设想在原有的晶格周期上，人为地叠加上一个大于原有周期数倍乃至数十倍的周期，可以预料这个新的周期性将改变材料的电子及声子结构，并赋予材料新的物理性质。同时可以通过改变生长参数去调节它的物性，以获得人们所期待的性能，这将为新材料的设计开拓广阔的前景。

20世纪70年代末，美国阿贡国家实验室和美国西北大学首先制备了一系列金属超晶格，并发现诸多物理性质，包括弹性、输运性质、磁性、超导电性及光学性质异常。80年代末以来的工作表明，这种材料可能在电信（如微波器件）、短波光学（如中子和软X射线反射镜）和微电子学（如超大规模集成电路）等领域获得重要应用。中国在20世纪80年代初、开展了金属超晶格的制备和研究工作，已达到相当高的水平。

金属超晶格材料应用中所涉及的物理性质有力学性质、电子输运性质、光学性质、磁性等。

在由两种互溶的组分构成的金属超晶格（如Cu/Ni、Cu/Pd、Ag/Pd等）中观察到所谓的超模量效应（或声子硬化），即它们的弹性模量随调制波长变化，并在某一特定的调制波长（约2纳米）大大增强，超过其合金或单一组分的5～8倍。这种增强是由于超晶格中布里渊区相对于基体材料的折叠效应引起的能带结构改变。这种材料将来也许可以在超声技术中获得应用。与此相反的效应，即声子软化效应，在Nb/Cu等金属超晶格中被发现，其中两种组分是不相互溶的。实验发现对于某些特定的调制波长，其弹性常数下降百分之几十，这一效应往往与垂直于层面方向的平均晶格参数的膨胀相联系。

在诸如Cu/Ti、Nb/Cu、Nb/Ti等金属超晶格中，观察到电阻率饱和效应和金属-非金属转变，即当调制波长小于2纳米时，电阻率饱和，接近洛菲-雷其尔的最大金属电阻率（100～150微欧·厘米）。并在这个电阻率饱和点，电阻率的温度系数（TCR）变号。这一效应与电子局域化有关，由于调制波长的减小，限制了电子的平均自由程，从而使其局域化。它已在微电子技术中获得应用，已制备了极低温度系数的电阻器，在相当宽的温度范围内TCR＜3ppm/开。

在电磁波谱的X射线波段和真空紫外波段，几乎所有的天然材料的折射率都接近1，由此垂直入射的反射率都很小。在此波段，传统的透镜或反射镜是不可能应用的。短波光学系统要么必须采用掠射几何，要么基于干涉或衍射现象。不像掠射光学元件，利用干涉或衍射现象，允许垂直入射，对于一给定尺寸的光学器件，垂直入射具有较大的入射孔径，同时避免了与掠射有关的严重像散和像差。长期以来，天然晶体作为硬X射线光学元件已获得广泛应用，但在软X射线波段，光波波长较之天然晶体的晶格参数大得多，所以它们不能作为软X射线光学元件。斯皮勒提出利用金属超晶格作为软X射线单色器获得成功，因为在超晶格中有一个与软X射线波长相匹配的超周期，并且很容易制备不同调制波长的超晶格去适应不同波长的软X射线的要求。为了得到高的反射率，通常采用轻/重元素构成的超晶格，例如W/C、W/Si、Nb/Al、Ta/Al等系列，轻、重元素层的最佳厚度比为3∶1。此外，利用准周期轻、重元素超晶格可以得到近似垂直入射的软X射线单色器。

轻、重元素金属超晶格除了可以作为软X射线、中子束和紫外线单色器外，还可以在许多高科技领域内获得应用。例如，作为软X射线激光器共振腔反射镜、宇宙辐射探测器、活细胞成像光学器件和微光刻器件等。

磁性金属超晶格的一个十分重要的物理问题是磁性层之间的直接或越过中间层的间接交换耦合问题。80年代末以来，关于过渡元素或稀土元素磁性晶格的研究，已经观察到层间的铁磁、反铁磁和RKKY类型的耦合。特别是在铁磁-反铁磁，铁磁-非磁金属超晶格中，存在一种长周期的铁磁-反铁磁振荡型的交换耦合，以及与此有关的所谓巨磁阻效应，即在零场和饱和场下，电阻率相差50%以上。利用这一效应可以制备高灵敏的磁性传感器和磁记录读出元件。另外，磁性超晶格可以作为一种赝三维的高密度磁性存储器。对于磁性存储器和居里点写入等应用来说，除了要求系统有强的垂直各向异性外，室温附近的居里温度是重要的，实验已经表明可以通过改变调制波长来调整居里温度。