Abstract The origin of resistivity peak and sign reversal of Hall resistivity in ZrTe 5 has long been debated. Despite various theories proposed to explain these unique transport properties, there’s a lack of comprehensive first principles studies. In this work, we employ first principles calculations and Boltzmann transport theory to explore transport properties of narrow-gap semiconductors across varying temperatures and doping levels within the relaxation time approximation. We simulate the temperature-sensitive chemical potential and relaxation time in semiconductors through proper approximations, then extensively analyze ZrTe 5 ’s transport behaviors with and without an applied magnetic field. Our results reproduce crucial experimental observations such as the zero-field resistivity anomaly, nonlinear Hall resistivity with sign reversal, and non-saturating magnetoresistance at high temperatures, without introducing topological phases and/or correlation interactions. Our approach provides a systematic understanding based on multi-carrier contributions and Fermi surface geometry, and could be extended to other narrow-gap semiconductors to explore novel transport properties.

Unusual magnetotransport behaviors, such as temperature-dependent negative magnetoresistance (MR) and bowtie-shaped MR, have puzzled us for a long time. Although several mechanisms have been proposed to explain these phenomena, the absence of comprehensive quantitative calculations has made these explanations less convincing. In our work, we introduce a methodology to study magnetotransport behaviors in magnetic materials. This approach integrates the anomalous Hall conductivity induced by the Berry curvature, with a multiband ordinary conductivity tensor, employing a combination of first-principles calculations and semiclassical Boltzmann transport theory. Our method also incorporates the temperature dependence of the relaxation time and the anomalous Hall conductivity, as well as the field dependence of the anomalous Hall conductivity. We initially test this approach on models, obtaining distinct behaviors of magnetoresistance and Hall resistivity across several types of magnetic materials, and then apply it to a Weyl semimetal Co3Sn2S2. The results, which align well with experimental observations in terms of magnetic field and temperature dependencies, demonstrate the efficacy of our approach. This methodology provides a comprehensive and efficient means to understand the underlying mechanisms of the unusual complex behaviors observed in magnetotransport measurements in magnetic materials. Published by the American Physical Society 2024