单层过渡金属三氯化物中由关联驱动的拓扑相变：从面内磁化量子反常霍尔态到莫特绝缘相

基于密度泛函理论（DFT）计算，我们预测单层 OsCl$_3$——一种层间耦合弱于石墨的层状材料——具有量子反常霍尔（QAH）绝缘相，该相由锇原子的蜂窝晶格、其强自旋-轨道耦合（SOC）以及具有{\em 面内}易磁化轴方向的铁磁基态共同产生。由 SOC 打开的带隙为 $E_g \simeq 67$ meV（若易磁化轴可通过外加电场倾斜出面外，则 $\simeq 191$ meV），并且这种{\em 各向异性平面转子}铁磁体的居里温度估计为 $T_\mathrm{C} \lesssim 350$ K。由穿过费米能级的 Os $t_{2g}$ 能带流形产生的陈数 $\mathcal{C}=-1$，表明在有限宽度的纳米带中存在单一手性边缘态，我们进一步展示了锯齿形边缘态在空间上比扶手椅形边缘态更窄，并研究了在 Os 位点存在空位时的边缘态输运。由于 Os 的 $5d$ 电子同时表现出强 SOC 和中等关联效应，我们采用 DFT+U 计算来展示增加在位库仑排斥 $U$ 如何：在 $0 < U < U_c$ 范围内逐渐减小 $E_g$ 同时保持 $\mathcal{C} = -1$；在 $U_c$ 处导致 $E_g = 0$ 的金属相；并在 $U > U_c$ 时打开拓扑平庸的莫特绝缘相（$\mathcal{C}=0$）的能隙。