Coincidence of the metal-insulator transition and epsilon near zero condition in amorphous FeCuB films

技术摘要：非晶态 FeCuB 薄膜中金属-绝缘体转变与极低介电常数（ENZ）条件的巧合

问题陈述
本文探讨了由无序驱动的金属-绝缘体转变（MIT）与极低介电常数（ENZ）条件之间的关系。虽然先前的研究已经证实，靠近 MIT 可以增强超导转变温度（$T_c$），且超材料工程可以通过 ENZ 条件（即有效介电函数 $\epsilon_{eff}(\omega)$ 接近于零且为负值）同样实现 $T_c$ 的增强，但目前仍缺乏一项关于将介电函数的演化与距离 MIT 的距离联系起来的系统性研究。具体而言，目前尚待证明在无序磁性系统中，ENZ 条件是否自然发生在 MIT 的金属侧。

研究方法
作者研究了一系列通过溅射共沉积法在绝缘硅片上制备的非晶态 FeCuB 薄膜（厚度为 175 ± 15 nm）。这些薄膜具有成分梯度，其中铜含量保持为铁含量的 1.42 倍（$Fe_xCu_{1.42x}B_{1-2.42x}$），从而实现了金属与硼比例的连续变化。

本研究采用了多模态表征方法：

• 结构分析： X 射线衍射（XRD）证实了薄膜的非晶态性质，显示其不存在长程晶体有序性。
• 成分映射： 利用波长色散 X 射线荧光光谱（WD-XRF）和能量色散 X 射线光谱（EDS）对组合样片的元素分布进行映射，并确定局部金属浓度。
• 磁性表征： 使用振动样品磁强计（VSM）测量磁化强度（$M$）随外加磁场（$B$）和温度（$T$）的变化，以确定饱和磁化强度（$M_s$）和磁有序性（铁磁性与顺磁性）。
• 电子输运： 使用物理特性测量系统（PPMS）中的 van der Pauw 技术测量电阻率随温度的变化。通过 $\sigma$ vs. $T^{1/2}$ 图表将零温电导率（$\sigma_0$）外推，以识别 MIT。
• 介电特性： 在 488 nm、633 nm 和 1550 nm 波长下，利用 s 偏振和 p 偏振光进行极化反射测量。通过将反射率的角度依赖性拟合到 Fresnel 方程，提取介电函数的实部和虚部（$\epsilon$）。

主要结果

1. 磁性与电子行为： 随着金属（Fe 和 Cu）含量的降低，饱和磁化强度降低，电阻率增加。约含 3% Fe 的样品表现出遵循居里-外斯定律的顺磁行为，而较高 Fe 含量的样品则保持铁磁性。
2. MIT 的识别： 通过将电导率外推至零度（$\sigma_0$），作者确定金属-绝缘体转变发生在总金属浓度约为 15 原子 % 时。
3. 介电演化： 研究发现，实部介电函数（$\epsilon'$）在金属浓度介于 17% 到 24% 之间时穿过零点（满足 ENZ 条件），具体取决于波长。
4. MIT 与 ENZ 的巧合： 研究表明，ENZ 条件在 MIT 的金属侧得到满足。实现 $\epsilon' \approx 0$ 所需的金属浓度，与系统从金属行为转变为绝缘行为时的浓度相似。对于一个金属含量为 15.6% 的特定样品，在 633 nm 波长下的测量结果为 $\epsilon = -0.23 + 0.08i$，证实了其近零的实部。

意义与主张
本文声称，在非晶态 FeCuB 薄膜中，ENZ 条件自然发生在无序驱动的 MIT 附近的金属侧。这一发现为两种已知能增强超导性的机制——靠近 MIT 和 ENZ 条件——提供了潜在的物理联系。作者认为，这种巧合可能解释了为什么在靠近 MIT 的系统中超导转变温度（$T_c$）会得到增强，即 ENZ 条件可能是促进这种增强的底层机制。该工作支持了以下假设：通过操纵靠近 MIT 时的介电函数，即超材料工程原理，对于理解并可能增强磁性系统中的超导性具有重要意义。