反铁磁性（英文名：Antiferromagnetism），是材料的一种磁性。在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中，如果相邻原子自旋间因受负的交换作用，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。
温度升高，热扰动会破坏磁矩的有序排列，热扰动完全破坏反铁磁有序的温度称为奈耳温度或奈耳点。在宏观磁性上，反铁磁体为弱磁体，磁化率在奈耳点出现极大值；在微观结构上，反铁磁体中磁矩反平行排列的磁结构也已由中子衍射所证实。与铁磁性相比，反铁磁体中的原子磁矩排列整齐，所不同的是，其原子磁矩反平行排列。金属元素Cr和Mn是反铁磁性物质，反铁磁性合金中多数是含有这些元素的有序化合物，另一类是Fe、Co、Ni、Mn的氧化物、硫化物或卤化物等。
1932年，法国物理学家奈耳将皮埃尔·外斯分子场理论引入反铁磁性中，发展了反铁磁性理论。1949年，美国物理学家舒尔和斯马特利用中子衍射方法证实，原子磁矩在实际上具有反平行的取向。1988年，法国物理学家阿尔贝·费尔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）。20世纪末，人们首次发现了具有实用价值的自旋阀效应，才逐渐将反铁磁体和铁磁-反铁磁界面的相关研究带入人们的视线。2026年1月29日，中国复旦大学物理团队在《自然》发布了一项研究成果，首次发现一类低维反铁磁材料可在磁场下整体同步翻转，被形象称作“集体舞蹈”。反铁磁性的研究具有重大的科学价值，它为亚铁磁性理论的发展提供了坚实的理论基础。
定义
在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中，如果相邻原子自旋间因受负的交换作用，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。
简史
奠基
1932年，法国物理学家路易·奈尔（Louis Néel）首次提出反铁磁性的概念，建立了亚晶格分子场理论，预言了奈耳温度的存在，解释了反铁磁材料宏观无磁性但微观磁有序的核心特征，为反铁磁性的研究奠定了理论基础。
发展
1938年，斯夸尔（Squire）、比泽特（Bizette）和蔡柏林（Tsai）发现氧化锰（MnO）具有反铁磁性的特性，其转变温度为=116K。福.比特（F.Bitter）进一步发展了理论并计算了直至转变点处在平行于反平行磁矩方向的磁场中的物质的磁化率。他建议将这类新型的磁性物质为反铁磁体。1949年，美国物理学家舒尔（Shull）和斯马特（Smart）利用中子衍射方法证实，原子磁阵在实际上具有反平行的取向。
突破
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，才正式开启了自旋电子学的研究热潮。20世纪末，人们首次发现了具有极大的实用价值的自旋阀（spinvalve，SV）效应，这才逐渐将反铁磁体和铁磁-反铁磁界面的相关研究带入人们的视线。
特征
物质的反铁磁性特征表现在磁化率和温度的关系上。如下图所示的X随温度T变化的关系曲线，
在奈耳点（TN）有一转折。在TN点以下为反铁磁性，x随温度升高而升高。在TN点以上，X随温度升高而下降，表现为顺磁性，服从玛丽·居里皮埃尔·外斯定律，
以和T作图为一直线，此直线和T轴交在原点的左侧，即，这和通常的顺磁性物质（）是不一样的。作为比较，在下图画出顺磁性和抗磁性物质的关系直线，可以看出有明显区别。
按分子场理论，居里-外斯定律中，式中，D为密度，C为恒大于零的常量，称为分子场系数。现在因，故。已知对铁磁性物质，，表示分子场Hm是使相邻自旋平行排列；此处，表示分子场力图使相邻自旋反平行排列，故反铁磁性物质中原子磁矩的排列应如下图所示。这种磁矩的排列方式已为中子衍射所证实。
原理
法国物理学家奈耳首先用分子场理论成功地说明了物质之反铁磁现象。他将反铁磁物质分为等同的两个次晶格A、B。每个次晶格中相邻原子磁矩是平行排列的，即为铁磁性耦合，而从属于A和B晶格的两层相邻原子磁矩则是相互反平行的。对于每个次晶格A或B，都可以发生自发磁化，其约化的磁化强度和约化的温度关系如下图所示。由于此两个次晶格之自发磁化强度完全抵消，因此净的自发磁化为零，但在外加磁场作用下可以产生一个弱的磁化。在奈耳点以上，自发磁化消失，因此表现为顺磁特性。分子场理论仅能作一唯象描述，而反铁磁性之来源，仍是由于交换力所造成。从交换能的角度考虑，反铁磁耦合是和交换积分A<0相对应的。在这种情况下，磁体中相邻原子之磁矩作反平行排列，这是反铁磁性出现的物理根源。
物质
金属元素Cr和Mn是反铁磁性物质，某些ree在低温的一定区间表现为反铁磁性。许多反铁磁性的合金中都含有Cr和Mn，多数是含有这些元素的有序化合物。例如MnAu、MnAu2、MnAu3、CrSb、Crse、MnTe、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、、FeS、FeCl2、MnF2等。
性质
在反铁磁性材料中，近邻离子自旋反平行排列，它们的磁矩相互抵消，因此，反铁磁体不产生自发磁化磁矩，只显现微弱的磁性。反铁磁的相对磁化率X的数值为10-5~10-3。与顺磁性不同的是自旋结构的有序化，如图所示为MnO晶体结构和磁结构，由图中可以看出，Mn2+之间存在反平行自旋结构。
当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很小，因而，磁化率比顺磁磁化率小。随着温度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常顺磁体的情况相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。
测量
中子衍射
反铁磁性自旋有序结构首先由沙尔和斯马特利用中子衍射实验在MnO上得到证实。因为中子磁散射对正自旋和反自旋不同，从而可以通过中子衍射谱确定反铁磁性物体的磁结构。
磁化率测量
通过χ-T曲线确定TN及玛丽·居里外斯行为。
X射线磁圆二色谱（XMCD）
X射线磁圆二色谱（X-ray magnetic circular dichroism，XMCD）是一种从XAFS谱导出的谱，用来研究磁性物质的磁性。
角分辨光电子能谱（ARPES）
角分辨光电子能谱（ARPES）根据光电效应的原理来测定固体体的电子结构。当光人射到固体表面时，若光子的能量高于一定值，电子就会吸收光子能量而脱离固体表面，成为具有一定动能的光电子，这就是光电效应，其由阿尔伯特·爱因斯坦于1905年用光量子概念进行解释。ARPES就是通过在一定角度内收集出身时光电子并测量其动量和能量的关系，从而得到固体内部电子的能带结构。
应用
自旋电子学
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。1988年，法国物理学家阿尔贝·费尔和他的研究小组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），此后才正式开启了自旋电子学的研究热潮。20世纪末，人们首次发现了具有极大的实用价值的自旋阀（spin valve，SV）效应，这才逐渐将反铁磁体和铁磁-反铁磁界面的相关研究带入人们的视线。
低维磁性结构器件
在电磁、材料加工、机械、光电物理、和生物医疗等方面，低维磁性材料都具有着优越的实用价值。在上世纪后期，低维磁性结构器件的出现成为了吸引最多关注和研究的成就，如GMR磁头、磁性传感器，磁性随机存储器等。在当代工业的信息领域中，磁记录材料依然占据着无可取代的地位。电子器件微型化、多功能化、集成化、以及高频化是低维磁性材料发展的潮流所在。
低功耗电子器件
在某些非共线反铁磁体中，对称性允许出现反常霍尔效应，且该效应与布洛赫能带的拓扑特征相关。这种拓扑反常霍尔效应对于开发低功耗电子器件具有重要意义。
研究进展
共线反铁磁体首现反常霍尔效应
由日本东京大学和美国约翰斯·霍普金斯大学领导的国际研究团队，在共线反铁磁体中发现了反常霍尔效应。这一发现不仅挑战了解释反常霍尔效应的教科书理论框架，还拓宽了可用于信息技术的反铁磁体范围。反常霍尔效应通常被认为与磁化作用相伴而生，因此这一发现表明，背后可能存在远超一般理解的因素。研究人员推测，材料独特的电子能带结构可能产生巨大的“虚拟磁场”，在无磁化状态下增强了反常霍尔效应。
首次实现反铁磁序的全电控自翻转
2025年11月，由南京大学、南京理工大学、浙江大学和上海科技大学等多个高校组成的合作团队在范德华的手性反铁磁材料CoTa3S6中首次实现了全电学自驱动反铁磁序翻转。该团队揭示了该现象源于材料中局域磁矩与巡游电子之间的协同作用，并借助扫描隧道谱、角分辨光电子能谱和拓扑能斯特效应等多种实验手段，确立了基于拓扑杂化能带的自翻转新机制。本研究利用拓扑反铁磁材料自身作为内禀驱动源，成功实现了奈尔向量的自驱动电控翻转与自旋信息读写一体化，突破了传统异质结架构的限制，为发展超快、高能效、高密度信息器件开辟了全新的技术路径。
斯通纳-沃尔法思反铁磁体的铁磁型双稳态翻转
北京时间2026年1月29日，《自然》（Nature）杂志在线发表了复旦大学物理学研究团队题为《斯通纳-沃尔法思反铁磁体的铁磁型双稳态翻转》的研究成果。此项研究报道了一类特殊的低维反铁磁体系能够在外磁场下像铁磁体一样展现出确定性的双稳态整体切换，团队成员利用自主开发的多模态磁光显微技术成功捕捉到这一现象，并完善经典的磁学理论框架用以描述其背后的物理机制。该工作揭示了低维层间反铁磁体磁化翻转的关键因素与独特效应，推动反铁磁材料研究迈出从“有趣而无用”到“可读可写”的关键一步，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了新路径。
相关概念
抗磁性
是在外磁场的作用下，原子系统获得与外磁场方向相反的磁矩的现象。它是一种微弱磁性，相应的物质被称为抗磁性物质。抗磁性物质的磁化率为-10-5~-10-8。
顺磁性
一些物质在受到外磁场作用后，感生出与外磁场同向的磁化强度，其磁化率X>0，但数值很小，仅为10-6~10-3数量级，这种磁性称为顺磁性。顺磁性物质的XP与温度T服从玛丽·居里皮埃尔·外斯定律。顺磁性物质包括稀土金属和铁族元素的盐类等。
铁磁性
铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率X>0，而且数值在10~106数量级。当铁磁性物质的温度比临界温度TC高时，铁磁性将转变为顺磁性，并服从居里-外斯定律。具有铁磁性的元素不多，但具有铁磁性的合金和化合物却很多。截至2024年，已发现11个纯元素晶体具有铁磁性，它们是3个3d金属铁、钴、镍，以及4f钆、铽、镝、钬、铒、铥和立方晶系的镨、面心立方的钕。
亚铁磁性
亚铁磁性的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率低一些，大约为1~103数量级。典型的亚铁磁性物质为铁氧体。它们与铁磁性物质的最显著区别在于内部磁结构不同。
参考资料 >
室温以上非共线反铁磁体中拓扑异常霍尔效应的电学调控.nature.2026-02-08
路易·内尔：他在磁学领域的多方面奠基性工作.sciencedirect.2026-02-08
我国科学家首次让低维反铁磁材料跳起“集体舞”.央广网.2026-02-19
共线反铁磁体首现反常霍尔效应.中国科学院.2026-02-08
南京大学缪峰合作团队首次实现反铁磁序的全电控自翻转.南京大学科学技术研究院.2026-02-08
反铁磁材料研究迈出关键一步!复旦科研团队最新成果登上《自然》主刊.东方财富网.2026-02-08