磁铁矿（Fe₃O₄）是磁学研究中的重中之重，它的晶格结构是一种典型的反尖晶石结构。磁铁矿分子中有三个铁离子，其中两个Fe³⁺，一个Fe²⁺。一个Fe³⁺单独存在于A位（A-site），与周边的氧离子形成一个四面体（Tetrahedral）。而在B位（B-Site），一个Fe³⁺和一个Fe²⁺和周边的氧离子一起形成一个八面体（Octahedral）。四面体和八面体中的两个铁离子的磁矩刚好相反，于是互相抵消，独留下八面体中的Fe²⁺，这就是磁铁矿的强磁性来源。连接相邻两个八面体对角线方向，就是它的易磁化轴方向。这种由于A位和B位磁矩不相等，不能相互抵消而形成的磁性叫做亚铁磁性（Ferrimagnetism）。

磁铁矿的内禀性质有：

T_c =578°C

M_s = 480 kA/m = 92 Am²/kg

T_Verwey = 120 K （Verwey 转换温度，对应化学计量纯度100%）

a=8.396 Å （晶格参数）

以上是我们用来鉴别样品中是否存在磁铁矿最有效的参数。

关于居里温度，目前我们有两个方法来确定。

第一种就是磁化率温度曲线（χ-T）。χ-T曲线测量简单，但是，该曲线还受到粒径分布的影响。大部分情况下，为了避免加热过程中样品被空气中的氧气氧化，加热时通氩气。但是这会造成样品的还原环境，形成很多的细粒磁铁矿。这就使得升温曲线中的出现的磁铁矿的居里点存在多解性。只有在χ-T曲线的升温和降温曲线相对可逆的情况下，得出的特殊磁化率峰才代表解阻行为，否则如果降温曲线高于升温曲线，就说明新生成的矿物影响较大。很多初学者会迷惑，为什么在升温过程中看不到矿物转化，而降温曲线却大幅度增加？这是由于新生成的矿物的化学反应发生在580°之上，此时磁性大幅度降低。但是，在降温过程中，低于居里温度时，它们的磁性就会立刻显示出来。

第二种就是饱和磁化强度温度曲线（J-T）曲线，可以通过居里秤获得。它的好处在于饱和磁化强度和粒径不相关，解释起来相对简单。同时，一般情况下在实验过程中不会加氩气，所以很难加热生成磁铁矿。即便有磁性矿物生成，在加热过程中很快就氧化成赤铁矿。

Verwey转换是磁铁矿特有的低温性质，对于纯磁铁矿（化学计量纯度）来说，这个温度发生120 K。如果磁铁矿晶格中掺杂了一点杂质（比如，空位或者Ti⁴⁺），在摩尔浓度小于4%时，T_V会随着化学计量纯度的降低而降低。

物理学家对磁铁矿的Verwey转化进行了详细的研究。在120 K之上，磁铁矿晶格中A-Site和B-Site之间铁离子中的电子有自由交换行为，从而整体晶格表现为立方体。随着温度的降低，在120 K之下，电子变得懒惰，没有多余能量在两个Sites之间进行交换，那么晶格结构就变得不对称，从而形成一种单斜结构。

磁铁矿这种晶格结构上的变化，会引起其易磁化轴的变化。也就是说在120 K之上的一些易磁化轴，在120 K之下就变成难磁化轴，其直接结果就是，磁矩会从难磁化轴发生偏转，寻找临近的易磁化轴。在剩磁上，就表现为磁性变得混乱，被退磁了。反过来也一样，在120 K之下获得的剩磁，在通过T_V时，由于易磁化轴的变化，磁矩也会部分发生混乱，造成退磁。

实验结果表明，磁铁矿的低温剩磁在T_V确实会大幅度变化，其变化幅度与其磁畴状态相关。对于MD颗粒，可下降90%以上。随着粒径变小，SD颗粒的剩磁下降幅度最小。对于SP颗粒是什么情形？SP颗粒会逐渐解阻其剩磁，在120 K并不会产生特殊行为。正是由于这种和磁畴的关系，磁铁矿的Low-T SIRM热退磁曲线还可以被用来分离MD、SD、SP颗粒的剩磁。比如，在T_V大幅度下降的剩磁为MD主导，逐渐解阻的剩磁是SP的行为，在300 K剩下的剩磁则是SD颗粒主导。

磁铁矿的T_V并不是一个常量，随着其晶格结构中杂质的增多，T_V会逐渐下降。当含有杂质时，磁铁矿可以表示为Fe_3-3dO₄（对应氧化程度时的晶格空位Vacancy）或者Fe_3-xTi_xO₄（对应着钛磁铁矿）。实际上，只要有一点杂质，比如4 mol%的Ti⁴⁺，T_V就下降到80 K。而且，T_V的变化还遵循两个独立的趋势，在110-110 K之间，不存在T_V行为。所以，测量自然介质，我们观察不到115 K的T_V，因为它根本就不存在。

有一种细菌叫做磁细菌，它们的体内会生成一串串的纳米级磁铁矿，被称之为磁小体。经过测量其T_V，发现T_V一般为110 K。即使对新鲜的样品也是这个结果。这说明，磁小体磁铁矿的化学计量纯度不是100%。高倍TEM观测发现，磁小体磁铁矿晶格中确实存在着Vacancy。

压力对T_V也产生很大的影响，如果磁铁矿受到压力作用，T_V也会向低值移动。比如，我们如果研究陨石坑里的磁铁矿，会经常发现存在两种磁铁矿，一类磁铁矿的T_V为120 K，一类的磁铁矿T_V为110 K。如果不是磁小体的影响，那么后者就对应着压力影响。我们可以把样品加热一下，后者晶格内存在的应力会释放，这个110 K的T_V也会随之消失。磁小体的低值T_V可不会被加热处理改变。

磁铁矿被氧化时，其晶格里的Fe²⁺会被氧化成Fe³⁺，同时晶格内产生缺陷（Vacancy）。当Fe²⁺全部被氧化成Fe³⁺时，其分子式就会和赤铁矿完全一致Fe₂O₃，但是其晶格结构还和磁铁矿相同，这种矿物叫做磁赤铁矿。

磁赤铁矿的主要特征：

M_s = 380 kA/m

a = 8.337 Å

对于小颗粒磁赤铁矿，具有热不稳定性，在300°之上会慢慢转化为赤铁矿。与黑色的磁铁矿相比，其颜色偏红。不具有Verwey转换。