[论文解读] Pressure induced electronic band evolution and observation of superconductivity in the Dirac semimetal ZrTe5

Sanskar Mishra, Nagendra Singh+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2026

Topological Materials and Phenomena被引用 0

一句话总结

论文研究压力可高达 8 GPa 如何调控 ZrTe5 的电子结构和传输，揭示压力诱导的带结构重建以及在 8 GPa 支持下的超导性（DFT 支持）。

ABSTRACT

We report a comprehensive investigation of the pressure effects on the magnetotransport properties of the topological material ZrTe5 within 1 to 8 GPa pressure range. With increasing pressure, the characteristic peak (Tp) in its electrical resistivity first shifts to higher temperature and then moves quickly towards the lower temperature before disappearing eventually at 6 GPa. Beyond 6 GPa, the system exhibits metallic behavior across the entire temperature range, and superconductivity emerges below Tc = 1.8 K at 8 GPa. Based on the systematic magnetotransport measurement under pressure, we demonstrate that the superconductivity occurs following a significant electronic structure modulation possibly due to pressure induced structural changes near 6 GPa, which coincides with dramatic enhancement of the magnetoresistance (MR) reaching up to 1400 percent. Our experimental results are substantiated by density functional theory calculations as the application of pressure drastically alters the density of states near the Fermi level. Notably, multiple hole pockets emerge at the Fermi level from 4 GPa onward, and their contributions are further enhanced with increasing pressure. The combined experimental and theoretical investigation reveals a comprehensive evolution of electronic structure of Dirac semimetal ZrTe5 under pressure and suggest a possible link between the Fermi surface reconstruction in the pressure range of structural transition and emergence of superconductivity

研究动机与目标

• 理解水平方向压力如何改变 ZrTe5 的 resistivity 峰值 Tp 与整体传输.
• 在压力下识别磁传输性质（MR 与 Hall）的变化，并将其与载流子类型与密度相关联。
• 将实验传输数据与第一性原理的 DOS 与带结构随压力的演化对比。
• 确定出现超导性的压力，并探究其与结构/电子转变的关系。

提出的方法

• 通过化学气相传输法生长 ZrTe5 单晶，以在 1–8 GPa 压力下测量。
• 在压力下使用 palm-type cubic anvil cell，甘油作为介质，测量温度相关电阻、MR 与霍尔电阻。
• 在适用情况下通过拟合两带模型的霍尔导电率提取载流子密度与迁移率。
• 进行包含自旋轨道耦合的 DFT 计算，使用 PBE 与 D3 色散修正，在选定压力下获得带结构与 DOS。
• 将实验传输趋势（Tp、MR、霍尔符号）与计算得到的 DOS 与费米面拓扑的变化进行比较，以推断电子重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 水平方向压力如何改变 ZrTe5 的 Tp、电阻率与金属性？
• RQ2 在压力下磁传输（MR 与 Hall）如何演化，如何反映载流子类型与密度的变化？
• RQ3 压力是否诱导电子结构重建，如何与超导性相关联？
• RQ4 出现超导性的压力在何处，与之同时发生的结构/电子转变是什么？
• RQ5 DFT 的带结构与 DOS 的变化是否与在压力下观察到的传输现象相印证？

主要发现

• Tp 在压力下呈非单调位移，在约 6 GPa 附近消失。
• 在 8 GPa 出现超导转变，Tc 约为 1.8 K。
• 在约 6 GPa 时，MR 在 8 T 下可达约 1400%，表明接近电子-空穴平衡。
• 霍尔数据显示在压力下传输从电子占优转为空穴占优，包括在 6 GPa 时符号反转。
• DFT 显示压力诱导的 DOS 变化，以及在 ~4 GPa 附近费米能级附近出现多个空洞与电子“货袋（pockets）”的出现。
• 在压力下的电子结构演化与传输变化相关联，提示结构转变与超导性之间存在联系。