Антиферромагнети́зм (от анти… и ферромагнетизм), одно из магнитоупорядоченных состояний твёрдого тела, в котором магнитные моменты атомов (ионов) при охлаждении ниже критической температуры $T_N$ (точки Нееля) компенсируются в пределах элементарной магнитной ячейки, так что полный магнитный момент тела в отсутствие внешнего магнитного поля близок к нулю. В простейшем случае антиферромагнитную структуру можно представить как совокупность двух магнитных подрешёток, вставленных друг в друга (рис. 1). Ось кристаллической решётки, вдоль которой ориентированы магнитные моменты, называется осью антиферромагнетизма. В каждой магнитной подрешётке магнитные моменты атомов параллельны друг другу, а направления магнитных моментов подрешёток антипараллельны. Такие структуры называются коллинеарными антиферромагнитными структурами. Этим антиферромагнетизм отличается от других магнитоупорядоченных состояний, в которых магнитные моменты отдельных атомов либо параллельны (ферромагнетизм), либо антипараллельны, но не компенсируются полностью (ферримагнетизм). Вещества, в которых возникает антиферромагнитное упорядочение, называются антиферромагнетиками. Период магнитной ячейки антиферромагнетика может быть кратным периоду кристаллической структуры, тогда магнитная структура называется соизмеримой; если период антиферромагнитной структуры не кратен периоду кристаллической структуры, то такую структуру называют несоизмеримой.

За взаимную ориентацию магнитных моментов и антиферромагнитное упорядочение ответственно обменное взаимодействие, имеющее электрическую природу. Рис. 1. Антиферромагнитная структура MnO.Рис. 1. Антиферромагнитная структура MnO.За ориентацию магнитных моментов относительно кристаллографических осей отвечает взаимодействие между магнитными моментами и электрическим полем решётки, имеющее спин-орбитальную природу, а также магнитное дипольное взаимодействие между магнитными моментами атомов. Как правило, эти взаимодействия значительно слабее обменного, однако именно они ответственны за возникновение магнитной анизотропии и взаимодействие магнитных моментов с колебаниями кристаллической решётки.

Среди химических элементов антиферромагнетиками являются переходные металлы группы железа (марганец и хром), многие редкоземельные металлы и актиноиды, а также $\alpha$-модификация твёрдого кислорода. Антиферромагнитное упорядочение наблюдается в сплавах, неорганических и органических соединениях, в диэлектриках, полупроводниках и металлах. Известно несколько тысяч веществ, которые являются антиферромагнетиками, и их число постоянно растёт.

Историческая справка

Возникновение понятия «антиферромагнетизм» связано с экспериментами по исследованию температурной зависимости магнитной восприимчивости металлов $\text{Mn, Cr}$, сплавов$\text{Co-Fe, Fe-Mn, Fe-Cr}$ и хлоридов $\text{FeCl}_2, \text{CrCl}_3$ и $\text{NiCl}_2$. Полученные результаты не укладывались в концепцию молекулярного поля, введённую П. Вейсом в 1906 г. для описания ферромагнетизма. В 1932 г., основываясь на теории обменного взаимодействия В. Гейзенберга (модели Гейзенберга), Л. Неель расширил концепцию молекулярного поля, введя понятие локального молекулярного поля. Он учёл возможность ориентации этого поля в направлении, противоположном магнитному моменту соседнего иона, что позволило объяснить температурное поведение магнитной восприимчивости хрома и сплава $\text{Pt-Co}$. Впоследствии Неель ввёл понятие взаимопроникающих магнитных подрешёток и разработал термодинамическую теорию, в рамках которой был предсказан максимум на температурной зависимости магнитной восприимчивости при возникновении антиферромагнитного упорядочения (рис. 2). В этот же период Л. Д. Ландау разработал феноменологическую модель слоистого магнетика для объяснения магнитных свойств хлоридов железа, кобальта и никеля, в которой допускалась антипараллельная ориентация магнитных моментов соседних слоёв. Выводы этой теории были экспериментально подтверждены О. Н. Трапезниковой и Л. В. Шубниковым (1934). Попытки квантового описания явления антиферромагнетизма не были столь успешны, поскольку строго антипараллельная ориентация спинов магнитных подрешёток не соответствует основному состоянию квантовых систем. Только нейтронографические исследования, выполненные в 1949 г. на кристаллах $\text{MnO}$ К. Шаллом и Дж. Смартом, окончательно подтвердили, что антиферромагнитное упорядочение магнитных моментов возникает в макроскопическом масштабе.

Основные свойства

В антиферромагнетике при повышении температуры из-за разупорядочивающего действия теплового движения возникают флуктуации ориентации магнитных моментов атомов и средний магнитный момент $\text<μ\text>$ каждого магнитного атома (иона) уменьшается. При критической температуре $T_N$ (точке Нееля) $\text<μ\text>$ становится равным нулю и антиферромагнитный порядок полностью разрушается: антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. При температуре $T_N$ энергия теплового движения равна энергии обменного взаимодействия, поэтому величина $T_N$ тем больше, чем больше энергия обменного взаимодействия.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что уменьшение $\text<μ\text>$ до нуля при повышении температуры до $T_N$ в большинстве антиферромагнетиков происходит плавно, без скачка, и переход из антиферромагнитного в парамагнитное состояние является фазовым переходом 2-го рода. Существуют также антиферромагнетики, в которых при понижении температуры происходит фазовый переход в другие магнитоупорядоченные состояния – ферромагнитное или ферримагнитное.

Переход антиферромагнетизм – парамагнетизм сопровождается аномалиями на температурной зависимости магнитной восприимчивости (рис. 2). Выше $T_N$ магнитная восприимчивость $χ$ подчиняется закону Кюри – Вейса:
$χ = C/(T − θ),$

Рис. 2. Температурная зависимость магнитной восприимчивости легкоосного антиферромагнетика.Рис. 2. Температурная зависимость магнитной восприимчивости легкоосного антиферромагнетика.где $C$ – постоянная величина (постоянная Кюри), $T$ – температура, $θ$ – парамагнитная температура Кюри. Для большинства антиферромагнетиков $θ < 0$, однако в некоторых соединениях $θ$ принимает положительные значения. Ниже $T_N$ возникает анизотропия магнитной восприимчивости. Так, восприимчивость $χ_{||}$ в поле, ориентированном коллинеарно оси антиферромагнетизма, уменьшается до нуля при понижении $T$ до $0\ К$, а восприимчивость $χ_⊥$ в поле, перпендикулярном направлению оси антиферромагнетизма, не зависит от $T$ (рис. 2). Вблизи $T_N$ наблюдается также аномальное поведение теплоёмкости, теплового расширения и других физических свойств.

В достаточно сильных магнитных полях антиферромагнитное упорядочение разрушается, так как поле стремится ориентировать магнитные моменты подрешёток параллельно. Зависимость намагниченности антиферромагнетика от поля определяется типом антиферромагнитной структуры и ориентацией поля относительно кристаллографических осей. Например, для одноосного антиферромагнетика с магнитной анизотропией типа лёгкая ось наблюдаются кривые намагничивания, показанные на рис. 3.

Если поле ориентировано параллельно оси антиферромагнетизма, то при его увеличении могут возникнуть две ситуации. В случае слабой магнитокристаллической анизотропии в сравнении с межподрешёточным обменным взаимодействием при увеличении поля происходит спин-флоп переход, когда антиферромагнитная фаза с коллинеарной магнитной структурой при достижении критического поля скачком переходит в угловую фазу (спин-флоп фазу). Рис. 3. Зависимости намагниченности легкоосного антиферромагнетика от напряжённости магнитного поля.Рис. 3. Зависимости намагниченности легкоосного антиферромагнетика от напряжённости магнитного поля.При дальнейшем росте поля угол между моментами уменьшается и достигается параллельная ориентация магнитных моментов подрешёток (рис. 3, а).

Если магнитокристаллическая анизотропия по величине энергии превосходит межподрешёточное обменное взаимодействие, то реализуется спин-флип переход. В этом случае намагниченности двух подрешёток остаются антипараллельными вплоть до критического поля, при котором происходит резкое изменение направления намагниченности подрешётки антипараллельной полю на противоположное, что приводит к сонаправленному расположению обоих магнитных моментов (рис. 3, б) и сопровождается скачком намагниченности. Такие антиферромагнетики получили название метамагнетиков.

Если поле ориентировано перпендикулярно оси антиферромагнетизма, угловая фаза возникает уже в слабых магнитных полях при любой магнитокристаллической анизотропии, а при дальнейшем увеличении магнитного поля происходит переход из угловой фазы в состояние с параллельным расположением магнитных моментов (рис. 3, в).

Кроме коллинеарных антиферромагнитных структур, известны и более сложные – неколлинеарные антиферромагнитные структуры. Заметные различия обнаруживаются в поведении низкоразмерных магнитных структур с антиферромагнитным обменным взаимодействием.

Использование антиферромагнетиков существенно уступает применениям материалов с ферромагнитным и ферримагнитным упорядочениями, однако отсутствие полей рассеяния, а также более быстрая динамика магнитных моментов открывают новые возможности для создания быстродействующих устройств обработки информации и высокоплотной памяти на основе антиферромагнетиков, устойчивой к внешним магнитным полям. Большую актуальность в настоящее время приобретает антиферромагнитная спинтроника, когда в спинтронных приборах для управления спинами и спиновыми токами используются различные внешние воздействия, например механические напряжения (антиферромагнитная пьезо-спинтроника), электромагнитное излучение (антиферромагнитная опто-спинтроника), градиенты температуры (спин-калоритроника).