反鐵磁性

反鐵磁性的概念

在反鐵磁性物質內部，相鄰價電子的自旋趨於相反方向。這種物質的淨磁矩為零，不會產生磁場。這種物質比較不常見，大多數反鐵磁性物質只存在於低温狀況。假設温度超過奈耳温度，則通常會變為具有順磁性。例如，鉻、錳、輕鑭系元素等等，都具有反鐵磁性。

在無外加磁場的情況下，鄰近的完全相同的原子或離子的磁矩，由於相互作用而處於相互抵消的狀態，致使合成磁矩為零的現象。理論和實驗表明，在“交換耦合”作用下，有可能在磁性材料中出現相鄰原子磁矩自發地呈反平行整齊排列狀態，雖然這時磁矩處於整齊排列狀態，但在無外磁場時，單位體積中淨磁矩為零，宏觀上不呈現磁性，這種現象被稱為反鐵磁性。Cr、α—Mn、一些稀土金屬以及許多含一種或多種過渡族金屬、稀土元素和錒族元素的化合物皆為具有反鐵磁性的物質。 ^[3] 

由於電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發磁化強度，電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發磁化強度大小相同，方向相反，整個晶體磁化率接近於0。反鐵磁性物質大都是金屬化合物，如MnO。温度升高到一定時，反鐵磁物質表現出順磁性，轉變温度稱為反鐵磁性物質的居里點或奈爾點。對奈爾點存在的解釋是：在極低温度下，由於相鄰原子的自旋完全反向，其磁矩幾乎完全抵消，故磁化率 幾乎接近於0。當温度上升時，使自旋反向的作用減弱，增加。當温度升至奈爾點以上時，熱擾動的影響較大，此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。 反鐵磁性物質置於磁場中，其鄰近原子之磁矩相等而排列方向剛好相反，因此其磁化率為零。

在原子自旋（磁矩）受交換作用而呈現有序排列的磁性材料中，如果相鄰原子自旋間是受負的交換作用，自旋為反平行排列，則磁矩雖處於有序狀態（稱為序磁性），但總的淨磁矩在不受外場作用時仍為零。這種磁有序狀態稱為反鐵磁性。注： ①這種材料當加上磁場後其磁矩傾向於沿磁場方向排列，即材料顯示出小的正磁化率。但該磁化率與温度相關，並在奈爾點有最大值。 ②用主要磁現象為反鐵磁性物質製成的材料，稱為反鐵磁材料。

磁矩的概念

物質之磁矩是由其內每一原子內之電子之自旋，及軌道運動所產生之磁矩和及原子間之交互作用之和。利用物質之磁矩對中子磁矩作用產生之繞射現象，可以測定物質內原子磁矩之分佈方向和次序。利用中子繞射而測得之MnF₂和NiO二種反鐵磁性物質之磁矩結構。在MnF₂反鐵磁性物質中，Mn離子其3d軌道未飽和之電子受到磁場磁化之磁矩依面心立方晶格〔Fcc〕而分佈，因在每一角落上離子之磁矩都是同一方向。而在其立方面上之離子磁矩都在同一相反方向。其向量和等於零，因而此種物質之磁化率，X等於零。　物質在磁場中之取向效應受到熱激動的抵抗，因而其磁化率隨温度而變。當温度等於某一温度－尼爾温度（Neel Temperature）時，反鐵磁物質的磁化率會稍微上升，當温度超過尼爾温度TN時，則反鐵磁性物質之磁性近於順磁性。

A 是否有固有原子磁矩？B 是否有相互作用？ C 是什麼相互作用？

在奈耳温度以下，物質中相鄰原子的磁矩自發地反平行排列並且合磁矩為零時所呈現的磁性。具有反鐵磁性的物質，相鄰原子的磁矩大小相等，方向相反，故磁化強度為零，表現為弱磁性。

磁化率的數值和順磁性物質相近，但它隨温度升高而增大；在奈耳温度以上， 磁化率隨温度升高而降低，表現如順磁性。

金屬元素 Cr和Mn是反鐵磁性物質，某些稀土元素在低温的一定區間表現為反鐵磁性。

許多反鐵磁性合金中都含有Cr和Mn，多數是含有這些元素的有序化合物， 如MnAu，CrSb，Mn₂As，NiMn等。另一類是Fe、Co、Ni、Mn的氧化物，硫化物或鹵化物等，如MnO、FeO、 CoO、NiO、MnS、α-Fe₂O₃、FeS、FeCl₂、MnF₂等。

在無序合金中也有是反鐵磁性的，如富錳的Mn-Cu 和Mn-Au合金；無序的MnCr合金，在發生反鐵磁性轉變時，不僅磁化率發生變化，同時其他物理性質 (如膨脹係數等)也發生變化。利用這個性質可能製成無磁(沒有鐵磁性)低膨脹合金。 ^[4] 

在反鐵磁性被提出的大半個世紀裏，對於反鐵磁性的的實際應用一向是不被人們看好的，直到來自於法國的物理學家阿爾貝.費爾和他的研究小組於 1988 年研究發現了在單層交替的鐵、鉻薄膜所製成的鐵-鉻超晶格薄膜中的巨磁電阻效應(GMR)之後，正式開啓了自旋電子學的研究熱潮。 ^[5] 

磁性材料早就被人們運用在生活的各個方面，譬如電子、自動化、通信、家用電器等諸多領域，而在微機、大型計算機中的應用也有着難以取代的地位，隨着人們生活水平的提高、國防科技的需要，信息存儲、處理與傳輸的進步已經離不開磁性材料的理論研究的發展和實驗方法的創新。 ^[6]