刚玉基 $4d$ 和 $5d$ 氧化物蜂窝晶格中的相互作用驱动的自旋轨道效应与 Chern 绝缘相

利用带有 Hubbard $U$ 的密度泛函理论计算，我们探索了将 $X=$ $4d$ 和 $5d$ 阳离子沿 [0001] 方向插入能带绝缘体 $\alpha$-Al$_2$O$_3$ 中形成的 $X_2$O$_3$ 蜂窝层的拓扑非平庸相。我们识别了多个有前景的量子反常霍尔绝缘体（QAHI）候选材料。具体而言，对于 $X$=Tc 和 Pt，自旋轨道耦合（SOC）分别打开了 54 和 59 meV 的能隙，导致具有 $C$=--2 和 --1 的 Chern 绝缘体（CI）。不同 Chern 数的性质与相应的自旋织构相关。Chern 绝缘相对 Coulomb 排斥强度敏感：当超过临界强度 $U_c$ =2.5 eV 时，$X$=Tc 经历从 CI 到平庸金属态的转变。对 $X$=Pd 和 Pt 的等电子亚稳态铁磁（FM）相的比较强调了电子关联与 SOC 之间微妙的平衡：前者是平庸绝缘体，而后者是 Chern 绝缘体。此外，$X$=Os 表现为 FM Mott 绝缘体，其 $t_{2g}$ 流形中存在一个未配对电子，其中 SOC 沿 $z$ 轴诱导出 0.34 $\mu_{\rm B}$ 的异常高轨道磁矩。文中还讨论了其与 $3d$ 蜂窝刚玉情形的相似之处。