Мультиферро́ики, материалы, сочетающие в себе два и более типа упорядочения, свойственного ферроикам: магнитное, сегнетоэлектрическое и сегнетоэластическое. Как правило, под мультиферроиками понимают материалы, в которых сосуществуют магнитное и сегнетоэлектрическое упорядочения (сегнетомагнетики) (рис. 1).

Рис. 1. Множество мультиферроиков как пересечение множеств ферроиков.Рис. 1. Множество мультиферроиков как пересечение множеств ферроиков.В мультиферроиках проявляются разнообразные перекрёстные эффекты, обусловленные взаимосвязью различных подсистем кристалла (магнитной, электрической, упругой): магнитоэлектрический эффект, магнитодиэлектрический эффект [1], а также электрические и магнитные явления, вызванные или опосредованные механическими деформациями. Вклады магнитной, электрической и упругой подсистем кристалла в энтропию обусловливают существование мультикалорического эффекта в мультиферроиках.

По природе сегнетоэлектрического упорядочения мультиферроики делятся на мультиферроики 1-го и 2-го типа (классификация Д. И. Хомского). К мультиферроикам 1-го типа относятся первые синтезированные сегнетомагнетики – перовскиты (включая высокотемпературный мультиферроик – феррит висмута $\text{BiFeO}_{3}$), в которых электрическая поляризация имеет собственный характер, а температура сегнетоэлектрического упорядочения превышает температуру магнитного упорядочения. В мультиферроиках 2-го типа электрическая поляризация вызвана магнитным упорядочением, а температура сегнетоэлектрического упорядочения не превышает температуру магнитного упорядочения. Электрическая поляризация в мультиферроиках 2-го типа мала по сравнению с поляризацией мультиферроиков 1-го типа, однако её магнитное происхождение предполагает сильную взаимосвязь магнитной и электрической подсистем кристалла. Эта взаимосвязь обусловливает большие величины нелинейных магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов, которые представляют интерес для спинтроники (электрически управляемые магнитные элементы) и сенсорной техники (датчики магнитного поля).

По симметрии и микроскопическому происхождению в мультиферроиках 2-го типа выделяют три основных механизма сегнетоэлектрического упорядочения, наведённого магнитным упорядочением. Первые два механизма связаны с косвенным обменным взаимодействием магнитных ионов через диамагнитные ионы – лиганды. Первый механизм обусловлен нерелятивистским симметричным обменом гейзенберговского типа, его также называют обменно-стрикционным. Он характерен для антиферромагнетиков с коллинеарным упорядочением. Притяжение магнитных ионов с сонаправленными спинами и отталкивание ионов с противоположно направленными спинами приводит к смещению ионов-лигандов и возникновению электрической поляризации, пропорциональной скалярному произведению спинов (рис. 2, а). Этот механизм обусловливает электрическую поляризацию в манганитах $\text{RMn}_{2}\text{O}_{5}$ (где $\text{R}$ – редкоземельный элемент), ортоферритах $\text{RFeO}_{3}$ ($\text{R} = \text{Gd, Tb, Dy}$), орторомбической фазе манганитов $\text{RMnO}_{3}$ ($\text{R = Ho, Er, Tm, Yb, Lu}$), наблюдаемой при высоких давлениях. Характерные величины поляризации $P \sim 10^3$ мкКл/м².

Рис. 2. Схематическое изображение механизмов сегнетоэлектрической поляризации, наведенной магнитным упорядочением.Рис. 2. Схематическое изображение механизмов сегнетоэлектрической поляризации, наведенной магнитным упорядочением.Второй механизм обусловлен релятивистским антисимметричным обменным взаимодействием Дзялошинского – Мория. В этом случае неколлинеарное упорядочение (т. н. спиновая циклоида) приводит к смещению ионов-лигандов и электрической поляризации, пропорциональной векторному произведению спинов. Электрическая поляризация переключается при изменении направления разворота спинов в циклоиде (рис. 2, б). Этот механизм является доминирующим в $\text{Cr}_{2}\text{BeO}_{4}$_, орторомбических манганитах $\text{TbMnO}_{3}$, $\text{DyMnO}_{3}$ ($P \sim 400$ мкКл/м²), вольфрамате марганца $\text{MnWO}_{4}$ ($P \sim 10$ мкКл/м²), высокотемпературных мультиферроиках – гексаферритах $\text{Sr}_{3}\text{Co}_{2}\text{Fe}_{24}\text{O}_{41}$ ($P \sim 10$ мкКл/м²).

Третий механизм относится к одноионным, т. е. зависит только от анизотропного взаимодействия магнитного иона с окружающими его лигандами. Он обусловлен зависящей от ориентации спина ${p}$–${d}$-гибридизацией атомных орбиталей при образовании химической связи магнитного иона с лигандом. Электрическая поляризация при этом пропорциональна линейной комбинации квадратов проекции спина на оси кристалла: направление поляризации противоположно при ортогональных ориентациях спина магнитного иона (рис. 2, в). Реализуется в $\text{Ba}_{2}\text{CoGe}_{2}\text{O}_{7}$ ($P \sim 100$ мкКл/м²); делафоситах $\text{CuMO}_{2}$ ($\text{M = Fe, Cr}$) ($P \sim 400$ мкКл/м²); мультиферроиках со скирмионной фазой $\text{Cu}_{2}\text{OSeO}_{3}$ ($P \sim 1$ мкКл/м²).

Наряду со структурно однородными материалами, к мультиферроикам также относят композиционные материалы, в которых магнитная сегнетоэлектрическая и/или сегнетоэластическая компоненты пространственно разделены: слоистые структуры из магнитострикционных материалов и пьезоэлектриков; сверхрешётки из двумерных графеноподобных, магнитных и сегнетоэлектрических материалов; жидкие кристаллы и коллоидные системы с магнитным наполнителем и др.