研究之初，张首晟也遭遇过研究方向走弯路、申请研究经费被拒、耕耘成果不被接受的常态。“大半生都是不确定的，有时孤独甚至绝望。”直到2006年，他在理论上预言了拓扑绝缘体，研究成果才为学界广泛关注。

　　这正是美剧《生活大爆炸》中谢尔顿博士炫耀的前沿研究。而张首晟发现拓扑绝缘体的灵感过程却是在一次聚会烤肉中得来的。

　　“吱吱的声音炸响，烤肉的最高境界是外熟里生。我一下子想到，有种材料是里面绝缘，外面导电的。”长期观察生活和自然的习惯为他带来了“阿基米德时刻”。

　　此前，人们认为物质只有导体和绝缘体之分，拓扑绝缘体成了第三类物质，张首晟的预言，一年后即被实验证实。

　　顺着拓扑绝缘体的深入研究，张首晟又发现了量子自旋霍尔效应：芯片中杂乱无序运动的电子可以在一定条件下实现规则运动，就像在高速公路上各行其道，从而使能量耗散很低。最常见的实际应用，就是解决手机和电脑的发热问题。

　　不久，他又和中国国内研究团队在锡烯研究上取得了重大突破，这或可取代电子元件常用的晶硅和石墨烯。张首晟笑着说，“以后硅谷可能就要改名为锡谷了。”

　　他也因此获得了物理学界三大最高奖项——2010年的欧洲物理学奖、2012年的巴莱克奖和狄拉克奖。

　　“天使粒子”的发现，就建立在张首晟之前的这些重要研究上。它由张首晟提出并由实验组验证，存在于磁性拓扑绝缘体薄膜(量子反常霍尔效应薄膜)与超导体组成的混合系统中。这一发现的最大应用，就是“前途无量”的量子计算机。

　　赤子丹心

　　对于“天使粒子”的发现，张首晟说：“要感谢祖国现在的强大。四个实验室有三个是大陆背景。我们经常有交流的机会，所以促成了这次合作的可能。”

　　张首晟很重视华人青年科学家的交流。1999年，受杨振宁邀约，张首晟成为清华大学特聘教授。2009年，他正式加入“千人计划”。常年往返中美两地承担科教，他在斯坦福带的很多学生都来自清华、北大。

　　为促进中美之间科技成果的共同孵化，他成立了风险投资公司，取名“丹华资本”。“丹”一语双关，既代表“赤子丹心”，也指斯坦福(又译史丹福)；“华”则明指中华。

　　对自己的两个孩子，张首晟并没有刻意引导他们往物理学方向发展，而会培养他们的好奇心。儿子张晨波曾获国际物理奥林匹克金牌，现已从哈佛大学毕业，女儿如今也进入了斯坦福大学。张首晟寄望，中国的青年科学家，当志存高远。

　　在收到仅存的牛顿《自然哲学的数学原理》英文原版时，张首晟曾写下这样一段话：“既然无法抵挡她万有的吸引，为何不遨游星际而时时相伴？既然为量子因果而纠缠绵绵，为何不心心相印寄在水一方？既然追不上她永恒不变的步伐，为何不对镜赏花以光传因缘……”