在铜、金等普通金属体系中，价电子可近似为近自由电子气，其低温物理性质可通过费米液体（FL）理论来描述，表现为电阻正比于温度的平方等规律。而对于关联材料，由于电子间的关联效应，其低温物理性质不再能用FL理论来很好地进行描述，其电阻和温度间不再遵循平方关系，表现出非费米液体（NFL）行为；通常称这类材料为奇异金属体系。近年来在越来越丰富的材料体系中发现了NFL行为，这些行为通常与众多新奇物态（如：高温超导、重费米子、变磁体等）紧密关联。如何理解NFL行为及其与新奇物态的关联性一直是凝聚态物理所关心的问题。其中，4d过渡金属Ru氧化物中化学式同构的CaRuO₃和SrRuO₃体系引起了研究者的广泛关注；SrRuO₃是铁磁金属，而CaRuO₃为顺磁金属且表现出NFL行为；该体系为研究NFL与铁磁性的关联提供了一个很好的平台。

近年来，物理系于浦研究组提出并发展了利用电场调控离子演化控制材料结构与物性相变的研究思路，成功实现了一系列电、磁学量子物性的有效调控。最近，该研究组将离子调控方法拓展到CaRuO₃体系中（图1a），发现质子嵌入会在该材料中诱导出显著的铁磁性（图1b），且整个体系依然保持良好的金属性。进一步分析表明该体系低温下电阻的温度依赖关系随质子嵌入发生了显著的变化，由初始的ρ(T) ∼ T^3/2关系转变为嵌入质子后的ρ(T) ∼ T²关系（图1c, d），证明体系发生了从NFL到FL的转变。该转变与磁性转变的对比（图1e）揭示了该材料电、磁学特性的演化过程：质子化过程首先显著降低了材料内的电子关联作用，引发材料发生从NFL到FL行为的转变，而进一步质子调控及其伴随的电子填充和晶格膨胀作用，引发了Stoner不稳定性，从而在材料中形成了宏观铁磁性。该结果直观地理清了电子关联和磁性转变间的耦合顺序这一长期困扰研究者的问题，并进一步奠定了电场控制质子化在量子材料物性调控中的重要地位，显示出其在新型关联电子态探索中的美好前景。

图1：(a) CaRuO₃体系中场控质子化的示意图；(b) 0 V和2.5 V偏置电压下的样品霍尔电阻率信号对比，电场控制CaRuO₃体系从顺磁(PM)到铁磁(FM)转变；(c) 电阻率随温度T^3/2的变化，表现为非费米液体(NFL)行为；(d) 电阻率随温度T²变化，遵从费米液体(FL)行为；(e) 电阻率温度变化(ρ(T) ∼ T^α)幂指数α及反常霍尔电阻率随电压V_G的变化趋势。

该工作以“Emergent Ferromagnetism with Fermi-Liquid Behavior in Proton Intercalated CaRuO₃”为题于4月21号发表于Physical Review X。清华大学博士后沈胜春为文章第一作者，清华大学于浦教授、美国橡树岭国家实验室Satoshi Okamoto研究员和上海交通大学罗卫东教授为文章的通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金委员会、国家重点基础研究发展计划、清华大学自主科研计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室和北京未来芯片技术高精尖创新中心的资助。

全文链接为：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.021018