反鐵磁性（英文名：Antiferromagnetism），是材料的一種磁性。在原子自旋（磁矩）受交換作用而呈現有序排列的序磁材料中，如果相鄰原子自旋間因受負的交換作用，自旋為反平行排列，則磁矩雖處于有序狀態（稱為序磁性），但總的凈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。
溫度升高，熱擾動會破壞磁矩的有序排列，熱擾動完全破壞反鐵磁有序的溫度稱為奈耳溫度或奈耳點。在宏觀磁性上，反鐵磁體為弱磁體，磁化率在奈耳點出現極大值；在微觀結構上，反鐵磁體中磁矩反平行排列的磁結構也已由中子衍射所證實。與鐵磁性相比，反鐵磁體中的原子磁矩排列整齊，所不同的是，其原子磁矩反平行排列。金屬元素Cr和Mn是反鐵磁性物質，反鐵磁性合金中多數是含有這些元素的有序化合物，另一類是Fe、Co、Ni、Mn的氧化物、硫化物或鹵化物等。
1932年，法國物理學家奈耳將皮埃爾·外斯分子場理論引入反鐵磁性中，發展了反鐵磁性理論。1949年，美國物理學家舒爾和斯馬特利用中子衍射方法證實，原子磁矩在實際上具有反平行的取向。1988年，法國物理學家阿爾貝·費爾發現了在單層交替的鐵、鉻薄膜所制成的鐵-鉻超晶格薄膜中的巨磁電阻效應（GMR）。20世紀末，人們首次發現了具有實用價值的自旋閥效應，才逐漸將反鐵磁體和鐵磁-反鐵磁界面的相關研究帶入人們的視線。2026年1月29日，中國復旦大學物理團隊在《自然》發布了一項研究成果，首次發現一類低維反鐵磁材料可在磁場下整體同步翻轉，被形象稱作“集體舞蹈”。反鐵磁性的研究具有重大的科學價值，它為亞鐵磁性理論的發展提供了堅實的理論基礎。
定義
在原子自旋（磁矩）受交換作用而呈現有序排列的序磁材料中，如果相鄰原子自旋間因受負的交換作用，自旋為反平行排列，則磁矩雖處于有序狀態（稱為序磁性），但總的凈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。
簡史
奠基
1932年，法國物理學家路易·奈爾（Louis Néel）首次提出反鐵磁性的概念，建立了亞晶格分子場理論，預言了奈耳溫度的存在，解釋了反鐵磁材料宏觀無磁性但微觀磁有序的核心特征，為反鐵磁性的研究奠定了理論基礎。
發展
1938年，斯夸爾（Squire）、比澤特（Bizette）和蔡柏林（Tsai）發現氧化錳（MnO）具有反鐵磁性的特性，其轉變溫度為=116K。福.比特（F.Bitter）進一步發展了理論并計算了直至轉變點處在平行于反平行磁矩方向的磁場中的物質的磁化率。他建議將這類新型的磁性物質為反鐵磁體。1949年，美國物理學家舒爾（Shull）和斯馬特（Smart）利用中子衍射方法證實，原子磁陣在實際上具有反平行的取向。
突破
在反鐵磁性被提出的大半個世紀里，對于反鐵磁性的的實際應用一向是不被人們看好的。直到來自于法國的物理學家阿爾貝·費爾和他的研究小組于1988年研究發現了在單層交替的鐵、鉻薄膜所制成的鐵-鉻超晶格薄膜中的巨磁電阻效應（GMR）之后，才正式開啟了自旋電子學的研究熱潮。20世紀末，人們首次發現了具有極大的實用價值的自旋閥（spinvalve，SV）效應，這才逐漸將反鐵磁體和鐵磁-反鐵磁界面的相關研究帶入人們的視線。
特征
物質的反鐵磁性特征表現在磁化率和溫度的關系上。如下圖所示的X隨溫度T變化的關系曲線，
在奈耳點（TN）有一轉折。在TN點以下為反鐵磁性，x隨溫度升高而升高。在TN點以上，X隨溫度升高而下降，表現為順磁性，服從瑪麗·居里皮埃爾·外斯定律，
以和T作圖為一直線，此直線和T軸交在原點的左側，即，這和通常的順磁性物質（）是不一樣的。作為比較，在下圖畫出順磁性和抗磁性物質的關系直線，可以看出有明顯區別。
按分子場理論，居里-外斯定律中，式中，D為密度，C為恒大于零的常量，稱為分子場系數。現在因，故。已知對鐵磁性物質，，表示分子場Hm是使相鄰自旋平行排列；此處，表示分子場力圖使相鄰自旋反平行排列，故反鐵磁性物質中原子磁矩的排列應如下圖所示。這種磁矩的排列方式已為中子衍射所證實。
原理
法國物理學家奈耳首先用分子場理論成功地說明了物質之反鐵磁現象。他將反鐵磁物質分為等同的兩個次晶格A、B。每個次晶格中相鄰原子磁矩是平行排列的，即為鐵磁性耦合，而從屬于A和B晶格的兩層相鄰原子磁矩則是相互反平行的。對于每個次晶格A或B，都可以發生自發磁化，其約化的磁化強度和約化的溫度關系如下圖所示。由于此兩個次晶格之自發磁化強度完全抵消，因此凈的自發磁化為零，但在外加磁場作用下可以產生一個弱的磁化。在奈耳點以上，自發磁化消失，因此表現為順磁特性。分子場理論僅能作一唯象描述，而反鐵磁性之來源，仍是由于交換力所造成。從交換能的角度考慮，反鐵磁耦合是和交換積分A<0相對應的。在這種情況下，磁體中相鄰原子之磁矩作反平行排列，這是反鐵磁性出現的物理根源。
物質
金屬元素Cr和Mn是反鐵磁性物質，某些ree在低溫的一定區間表現為反鐵磁性。許多反鐵磁性的合金中都含有Cr和Mn，多數是含有這些元素的有序化合物。例如MnAu、MnAu2、MnAu3、CrSb、Crse、MnTe、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、、FeS、FeCl2、MnF2等。
性質
在反鐵磁性材料中，近鄰離子自旋反平行排列，它們的磁矩相互抵消，因此，反鐵磁體不產生自發磁化磁矩，只顯現微弱的磁性。反鐵磁的相對磁化率X的數值為10-5~10-3。與順磁性不同的是自旋結構的有序化，如圖所示為MnO晶體結構和磁結構，由圖中可以看出，Mn2+之間存在反平行自旋結構。
當施加外磁場時，由于自旋間反平行耦合的作用，正負自旋轉向磁場方向的轉矩很小，因而，磁化率比順磁磁化率小。隨著溫度升高，有序的自旋結構逐漸被破壞，磁化率增加，這與正常順磁體的情況相反。然而在某個臨界溫度以上，自旋有序結構完全消失，反鐵磁體變成通常的順磁體。
測量
中子衍射
反鐵磁性自旋有序結構首先由沙爾和斯馬特利用中子衍射實驗在MnO上得到證實。因為中子磁散射對正自旋和反自旋不同，從而可以通過中子衍射譜確定反鐵磁性物體的磁結構。
磁化率測量
通過χ-T曲線確定TN及瑪麗·居里外斯行為。
X射線磁圓二色譜（XMCD）
X射線磁圓二色譜（X-ray magnetic circular dichroism，XMCD）是一種從XAFS譜導出的譜，用來研究磁性物質的磁性。
角分辨光電子能譜（ARPES）
角分辨光電子能譜（ARPES）根據光電效應的原理來測定固體體的電子結構。當光人射到固體表面時，若光子的能量高于一定值，電子就會吸收光子能量而脫離固體表面，成為具有一定動能的光電子，這就是光電效應，其由阿爾伯特·愛因斯坦于1905年用光量子概念進行解釋。ARPES就是通過在一定角度內收集出身時光電子并測量其動量和能量的關系，從而得到固體內部電子的能帶結構。
應用
自旋電子學
在反鐵磁性被提出的大半個世紀里，對于反鐵磁性的的實際應用一向是不被人們看好的。1988年，法國物理學家阿爾貝·費爾和他的研究小組研究發現了在單層交替的鐵、鉻薄膜所制成的鐵-鉻超晶格薄膜中的巨磁電阻效應（GMR），此后才正式開啟了自旋電子學的研究熱潮。20世紀末，人們首次發現了具有極大的實用價值的自旋閥（spin valve，SV）效應，這才逐漸將反鐵磁體和鐵磁-反鐵磁界面的相關研究帶入人們的視線。
低維磁性結構器件
在電磁、材料加工、機械、光電物理、和生物醫療等方面，低維磁性材料都具有著優越的實用價值。在上世紀后期，低維磁性結構器件的出現成為了吸引最多關注和研究的成就，如GMR磁頭、磁性傳感器，磁性隨機存儲器等。在當代工業的信息領域中，磁記錄材料依然占據著無可取代的地位。電子器件微型化、多功能化、集成化、以及高頻化是低維磁性材料發展的潮流所在。
低功耗電子器件
在某些非共線反鐵磁體中，對稱性允許出現反常霍爾效應，且該效應與布洛赫能帶的拓撲特征相關。這種拓撲反常霍爾效應對于開發低功耗電子器件具有重要意義。
研究進展
共線反鐵磁體首現反常霍爾效應
由日本東京大學和美國約翰斯·霍普金斯大學領導的國際研究團隊，在共線反鐵磁體中發現了反常霍爾效應。這一發現不僅挑戰了解釋反常霍爾效應的教科書理論框架，還拓寬了可用于信息技術的反鐵磁體范圍。反常霍爾效應通常被認為與磁化作用相伴而生，因此這一發現表明，背后可能存在遠超一般理解的因素。研究人員推測，材料獨特的電子能帶結構可能產生巨大的“虛擬磁場”，在無磁化狀態下增強了反常霍爾效應。
首次實現反鐵磁序的全電控自翻轉
2025年11月，由南京大學、南京理工大學、浙江大學和上海科技大學等多個高校組成的合作團隊在范德華的手性反鐵磁材料CoTa3S6中首次實現了全電學自驅動反鐵磁序翻轉。該團隊揭示了該現象源于材料中局域磁矩與巡游電子之間的協同作用，并借助掃描隧道譜、角分辨光電子能譜和拓撲能斯特效應等多種實驗手段，確立了基于拓撲雜化能帶的自翻轉新機制。本研究利用拓撲反鐵磁材料自身作為內稟驅動源，成功實現了奈爾向量的自驅動電控翻轉與自旋信息讀寫一體化，突破了傳統異質結架構的限制，為發展超快、高能效、高密度信息器件開辟了全新的技術路徑。
斯通納-沃爾法思反鐵磁體的鐵磁型雙穩態翻轉
北京時間2026年1月29日，《自然》（Nature）雜志在線發表了復旦大學物理學研究團隊題為《斯通納-沃爾法思反鐵磁體的鐵磁型雙穩態翻轉》的研究成果。此項研究報道了一類特殊的低維反鐵磁體系能夠在外磁場下像鐵磁體一樣展現出確定性的雙穩態整體切換，團隊成員利用自主開發的多模態磁光顯微技術成功捕捉到這一現象，并完善經典的磁學理論框架用以描述其背后的物理機制。該工作揭示了低維層間反鐵磁體磁化翻轉的關鍵因素與獨特效應，推動反鐵磁材料研究邁出從“有趣而無用”到“可讀可寫”的關鍵一步，為開發新一代低功耗、高速運算芯片提供了新路徑。
相關概念
抗磁性
是在外磁場的作用下，原子系統獲得與外磁場方向相反的磁矩的現象。它是一種微弱磁性，相應的物質被稱為抗磁性物質。抗磁性物質的磁化率為-10-5~-10-8。
順磁性
一些物質在受到外磁場作用后，感生出與外磁場同向的磁化強度，其磁化率X>0，但數值很小，僅為10-6~10-3數量級，這種磁性稱為順磁性。順磁性物質的XP與溫度T服從瑪麗·居里皮埃爾·外斯定律。順磁性物質包括稀土金屬和鐵族元素的鹽類等。
鐵磁性
鐵磁性物質只要在很小的磁場作用下就能被磁化到飽和，不但磁化率X>0，而且數值在10~106數量級。當鐵磁性物質的溫度比臨界溫度TC高時，鐵磁性將轉變為順磁性，并服從居里-外斯定律。具有鐵磁性的元素不多，但具有鐵磁性的合金和化合物卻很多。截至2024年，已發現11個純元素晶體具有鐵磁性，它們是3個3d金屬鐵、鈷、鎳，以及4f釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩和立方晶系的鐠、面心立方的釹。
亞鐵磁性
亞鐵磁性的宏觀磁性與鐵磁性相同，僅僅是磁化率低一些，大約為1~103數量級。典型的亞鐵磁性物質為鐵氧體。它們與鐵磁性物質的最顯著區別在于內部磁結構不同。
參考資料 >
室溫以上非共線反鐵磁體中拓撲異常霍爾效應的電學調控.nature.2026-02-08
路易·內爾：他在磁學領域的多方面奠基性工作.sciencedirect.2026-02-08
我國科學家首次讓低維反鐵磁材料跳起“集體舞”.央廣網.2026-02-19
共線反鐵磁體首現反常霍爾效應.中國科學院.2026-02-08
南京大學繆峰合作團隊首次實現反鐵磁序的全電控自翻轉.南京大學科學技術研究院.2026-02-08
反鐵磁材料研究邁出關鍵一步!復旦科研團隊最新成果登上《自然》主刊.東方財富網.2026-02-08