二维蜂窝内 Kagome 材料 (MN$_4$)$_3$C$_{32}$ (M=Pt 或 Mn)

我们提出了两种新型二维 (2D) 拓扑材料，(PtN$_4$)$_3$C$_{32}$ 和 (MnN$_4$)$_3$C$_{32}$，它们具有我们命名为蜂窝内 Kagome (KIH) 的特殊晶格结构，旨在阐释 Kagome 物理的范式态——狄拉克费米子和平带——的共存，而这些态在三维实际系统中难以同时观测。在该系统中，MN$_4$(M=Pt 或 Mn) 部分根据 Kagome 晶格结构嵌入蜂窝状石墨烯片中，从而形成 KIH 晶格。利用第一性原理计算，我们系统研究了这两种材料的结构、电子和拓扑性质。在没有自旋轨道耦合 (SOC) 的情况下，它们均在费米能级附近表现出狄拉克/二次交叉锥与平带的共存。当包含 SOC 时，在狄拉克/二次交叉节点处打开了一个可观的拓扑能隙。对于非磁性 (PtN$_4$)$_3$C$_{32}$，系统转变为定义在弯曲费米能级上的 $\mathbb{Z}_2$ 拓扑量子自旋霍尔绝缘体；而对于铁磁性 (MnN$_4$)$_3$C$_{32}$，材料从半半金属转变为具有非零陈数和非平凡手性边缘态的量子反常霍尔绝缘体。我们的发现不仅预测了一个新的二维量子材料家族，还为探索涌现的 Kagome 物理、拓扑量子霍尔物理、强关联现象及其迷人应用提供了一个实验上可行的平台。