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图：张首晟和杨振宁
一开始，张首晟的研究方向是超引力，很快他就转向分数量子霍尔效应，斯坦福大学在那篇悼念文章中说，因为张首晟觉得这个领域在他有生之年更可能从实验上证明。
他的判断力和突破力都是一流的。
1988年，张首晟、Kivelson和Hans Hansson合作，推导出了拓扑量子场理论，完美地捕捉到了分数量子霍尔效应的物理特性。
“有一天首晟跑过来对我说，你看我发现了什么，然后他在草稿上推了一遍这个理论的基本思想，囊括了分数量子霍尔效应所有神秘的特征”， Kivelson说，一般来说，物理学研究路径不会像张首晟那个思路，“但他的那个主意实在是太完美了”。
2005年，张首晟的团队和宾夕法尼亚大学的另外一个团队同时提出了“量子自旋霍尔效应”，他发现电流仅仅是沿着边缘流动，以及流动的方向是由电子的量子自旋的方向决定。
“在传统半导体内，就像你开着一个法拉利进了菜市场，一直磕磕碰碰，浪费了大部分能量”，张首晟曾向外界通俗地解释这一研究成果，“但是在拓扑绝缘子中就没有了碰撞，他们就像给电子建设的高速公路。”
因为这两项科学研究，张首晟也成为2014年诺贝尔物理学奖的热门人选，但他几乎包揽了物理界其它所有重量级奖项
，包括欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖和富兰克林奖章。
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图：张首晟2012年获得狄拉克奖
这些奖项有多重要？以富兰克林奖章而言，这个以本杰明.富兰克林的姓氏命名的奖项在1981年授予给了霍金，该奖章的获得者还包括爱因斯坦、居里夫人、杨振宁等人。
2016年，诺贝尔物理学奖颁布给了在拓扑学理论工作上有开拓意义的三名英国学者，包括戴维·索利斯（David J. Thouless）等人，当时外界认为，在颁布给基础理论贡献者之外，张首晟这样在应用领域做了积极贡献的学者未来极有可能获得诺贝尔奖。
“对他来说，获得诺贝尔奖只是时间问题。”杨振宁如此评价自己的弟子。
张首晟在学术上不断突破，背后是一种乐观的信念。香港科技大学物理系教授戴希回忆他和张首晟的交往，“首晟是乐观主义者，而我永远是悲观主义者”，戴希说，2005年的某一天，他在黑板上给他们写了一个数学模型，说这个模型就是拓扑绝缘体，要把相应的材料体系找出来。
“我说这不可能，在凝聚态物理的历史上从来没有对着数学模型找材料的先例，哪有那么巧的。结果他是对的，第二年就找到了HgTe，后来又有了Bi2Se3，再后来找到了上千种拓扑绝缘体材料，”戴希说，在这件事情上，张首晟的乐观是赢了的。
有人评价张首晟是华人学术界之光，这句话并没有错。
