[科普中国]-反铁磁性

相关概念反铁磁性的概念

在反铁磁性物质内部，相邻价电子的自旋趋于相反方向。这种物质的净磁矩为零，不会产生磁场。这种物质比较不常见，大多数反铁磁性物质只存在于低温状况。假设温度超过奈耳温度，则通常会变为具有顺磁性。例如，铬、锰、轻镧系元素等等，都具有反铁磁性。

在无外加磁场的情况下，邻近的完全相同的原子或离子的磁矩，由于相互作用而处于相互抵消的状态，致使合成磁矩为零的现象。理论和实验表明，在“交换耦合”作用下，有可能在磁性材料中出现相邻原子磁矩自发地呈反平行整齐排列状态，虽然这时磁矩处于整齐排列状态，但在无外磁场时，单位体积中净磁矩为零，宏观上不呈现磁性，这种现象被称为反铁磁性。Cr、α—Mn、一些稀土金属以及许多含一种或多种过渡族金属、稀土元素和锕族元素的化合物皆为具有反铁磁性的物质。3

由于电子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体磁化率接近于0。反铁磁性物质大都是金属化合物，如MnO。温度升高到一定时，反铁磁物质表现出顺磁性，转变温度称为反铁磁性物质的居里点或奈尔点。对奈尔点存在的解释是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率 几乎接近于0。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，增加。当温度升至奈尔点以上时，热扰动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。 反铁磁性物质置於磁场中，其邻近原子之磁矩相等而排列方向刚好相反，因此其磁化率为零。

在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中，如果相邻原子自旋间是受负的交换作用，自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态（称为序磁性），但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。注： ①这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列，即材料显示出小的正磁化率。但该磁化率与温度相关，并在奈尔点有最大值。 ②用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。

磁矩的概念物质之磁矩是由其内每一原子内之电子之自旋，及轨道运动所产生之磁矩和及原子间之交互作用之和。利用物质之磁矩对中子磁矩作用产生之绕射现象，可以测定物质内原子磁矩之分布方向和次序。利用中子绕射而测得之MnF₂和NiO二种反铁磁性物质之磁矩结构。在MnF₂反铁磁性物质中，Mn离子其3d轨道未饱和之电子受到磁场磁化之磁矩依面心立方晶格〔Fcc〕而分布，因在每一角落上离子之磁矩都是同一方向。而在其立方面上之离子磁矩都在同一相反方向。其向量和等于零，因而此种物质之磁化率，X等于零。 物质在磁场中之取向效应受到热激动的抵抗，因而其磁化率随温度而变。当温度等于某一温度－尼尔温度（Neel Temperature）时，反铁磁物质的磁化率会稍微上升，当温度超过尼尔温度TN时，则反铁磁性物质之磁性近于顺磁性。

物质磁性的分类原则A 是否有固有原子磁矩？B 是否有相互作用？ C 是什么相互作用？

抗磁性：没有固有原子磁矩。

顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用。

铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用。

反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用。

亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用。

自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用。

超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争

反铁磁性元素或物质在奈耳温度以下，物质中相邻原子的磁矩自发地反平行排列并且合磁矩为零时所呈现的磁性。具有反铁磁性的物质，相邻原子的磁矩大小相等，方向相反，故磁化强度为零，表现为弱磁性。

磁化率的数值和顺磁性物质相近，但它随温度升高而增大；在奈耳温度以上， 磁化率随温度升高而降低，表现如顺磁性。

金属元素 Cr和Mn是反铁磁性物质，某些稀土元素在低温的一定区间表现为反铁磁性。

许多反铁磁性合金中都含有Cr和Mn，多数是含有这些元素的有序化合物， 如MnAu，CrSb，Mn2As，NiMn等。另一类是Fe、Co、Ni、Mn的氧化物，硫化物或卤化物等，如MnO、FeO、 CoO、NiO、MnS、α-Fe2O3、FeS、FeCl2、MnF2等。

在无序合金中也有是反铁磁性的，如富锰的Mn-Cu 和Mn-Au合金；无序的MnCr合金，在发生反铁磁性转变时，不仅磁化率发生变化，同时其他物理性质 (如膨胀系数等)也发生变化。利用这个性质可能制成无磁(没有铁磁性)低膨胀合金。4

反铁磁性材料的应用在反铁磁性被提出的大半个世纪里，对于反铁磁性的的实际应用一向是不被人们看好的，直到来自于法国的物理学家阿尔贝.费尔和他的研究小组于 1988 年研究发现了在单层交替的铁、铬薄膜所制成的铁-铬超晶格薄膜中的巨磁电阻效应(GMR)之后，正式开启了自旋电子学的研究热潮。5

磁性材料早就被人们运用在生活的各个方面，譬如电子、自动化、通信、家用电器等诸多领域，而在微机、大型计算机中的应用也有着难以取代的地位，随着人们生活水平的提高、国防科技的需要，信息存储、处理与传输的进步已经离不开磁性材料的理论研究的发展和实验方法的创新。6