狭义的磁结构通常仅指晶体中的原子或者离子磁矩的取向自发形成的具有某些空间对称性或者规律性的空间排列方式或者分布状态,因其具有类似于晶体点阵结构的特征,故称为磁(有序)结构,而这种有序排列的现象则被称为磁有序。相对而言,磁矩取向在空间无规律分布的情况则通常被认为不具有磁“结构”,只称其为磁无序。实际上,磁无序也具有不同的磁结构,可以统称为磁无序结构。如同为宏观(长程)磁无序的顺磁性与自旋玻璃,两者的磁无序“结构”明显不同。同时对于宏观上的长程磁无序结构,也可能存在局域的短程磁有序结构,如在长程磁无序的磁性稀释合金中的局域磁有序自旋团簇。
广义的磁结构是指任一物质中的磁矩在某一温度下自发形成的空间取向排列方式,即磁矩取向在空间的分布状态,包括磁有序结构和磁无序结构。其中的磁矩可以是单个原子或者离子的磁矩,也可以是由多个原子或者离子磁矩组成的团簇磁矩。采用广义的磁结构概念可以对物质的各种磁性类型进行统一描述和表征,也可以将磁性相变过程看作是磁结构发生转变的过程。
中子衍射技术是已知的唯一能直接测定出材料磁结构的实验手段。对于磁有序结构,其对称性质可用苏布尼科夫群(也称二色群,亦称黑白群或磁群)来描述。在物质磁结构的研究中,一般不计入原子核磁矩的空间取向情况。
从物质的角度,无论是狭义的还是广义的磁结构都是物质的一种内禀属性,只依赖于物质的化学成分、结构参数和温度,本质上仅由物质内部的交换作用和磁晶各向异性共同决定。这一概念适用于所有的物质,物质的磁结构并不必然与物质的原子空间排列结构相关,通常也与外界磁场强度的大小无关。理论上当外界磁场强度高于反铁磁性交换作用的等效磁场强度时,物质的反铁磁性或者亚铁磁性磁结构将转变为铁磁性磁结构,此过程被称为磁场诱导的变磁转变。物质在被磁化和反磁化过程中,其磁矩取向在空间的各种动态分布状态,一般被称为磁畴结构的变化,而不是磁结构的转变。
从具体材料的角度,仅在固态物质中发现了磁有序结构,实验上尚未发现呈现磁有序结构的液态物质。同时几何形状、尺寸、显微结构以及检测手段等也都将影响对实际材料的磁结构的判定,典型的例子是超顺磁性颗粒。此外,在受限体系中所发现的一些新的磁矩取向空间排列方式,如磁涡旋态、磁斯格明态等,对于这些状态是否也属于自发形成的本征磁结构,还没有明确的结论,有待更深入的实验与理论研究。
从相对于空间某一特定方向的角度,可以将磁结构分为共线型与非共线型两种。
①共线型磁结构。所有磁矩的取向均平行或者反平行于某一方向,是一类长程的磁有序结构。现只发现了三种共线型磁结构,分别是铁磁性磁结构、反铁磁性磁结构和亚铁磁性磁结构。
②非共线型磁结构。相邻磁矩之间的磁矩取向存在某一夹角。可以根据夹角的取值情况,将已发现的非共线型磁结构分为三大类。
第一类是相邻磁矩取向夹角完全随机分布,包括传统上认为不具有磁结构的磁无序结构,如顺磁性、抗磁性、自旋玻璃、巨磁矩或者簇玻璃等磁结构。由超顺磁性颗粒以及单分子磁体构成的集合体也可以归入此类。第二类是相邻磁矩取向的夹角取某一固定值,如稀土金属及其合金中磁矩取向的排列方式所具有的螺旋型、方波型、正弦型、锥面型以及反相锥面型等磁结构。由DM相互作用(贾洛申斯基-守谷相互作用)导致的倾斜弱铁磁性磁结构也可以归入这一类之中。第三类则是相邻磁矩取向的夹角取值存在一个范围,如含有稀土元素的非晶态合金中的散铁磁性、散反铁磁性和散亚铁磁性等散磁性磁结构。