目前電腦計算速度無法持續提升的瓶頸,在於晶片執行運算時因為電阻產生的功耗越來越高,散熱變成嚴重問題。許多科學家都在尋找讓電子傳輸時不會產生功耗的新材料,2006年,張首晟預言厚度超過6.2奈米的碲化汞薄膜可以形成「拓撲絕緣體」,讓電子無功耗地前進,就像跑車在高速公路上行駛一樣。第二年德國烏茲堡大學的莫倫坎普(Laurens A. Molenkamp)就把這種材料製作出來,成為2007年《科學》選出的10大重要發現之一。主導全球半導體發展方向的「半導體國際科技藍圖」(ITRS)更宣佈,拓撲絕緣體應該成為未來幾年各半導體公司重要的研發方向。 

因為拓撲絕緣體的研究成果,張首晟近年來連續獲得多項國際物理大獎。台灣大學特別聘請張首晟擔任訪問講座教授,希望借重他的專業與熱情,推動國內相關領域的發展。臺大理學院院長張慶瑞指出,張首晟能把很複雜的理論轉化成簡單的道理,就像他的演講一樣雅俗共賞,更重要的是,這使他有能力說服實驗物理學家跟他合作研究,是他高人一等的地方。不過張首晟分析自己能在拓撲絕緣體開創一番天地,在於他求學生涯中所培養的科學品味與戰略眼光。

1966~1976年的文化大革命,是中國現代史上最黑暗的年代,社會上充斥著「讀書無用論」,大學關閉,知識份子受到迫害。出生於1963年的張首晟,幼年就在此黑暗時期中度過,他出身於書香世家,父母親都是工程師,文革時期被迫去工廠做工;家裡的一些古書如《論語》等都被紅衛兵抄走,只有古典小說、西方文化和數學、科學這些沒有政治色彩的書保留了下來,收藏在閣樓上。 

張首晟從小就喜歡去閣樓看書,使他在那個不鼓勵唸書的時代顯得格外奇怪,因而受到同學欺負;但他不理會旁人的眼光,沉浸在讀書的樂趣中。他的父母親則感到很矛盾,一方面因小孩喜歡唸書而高興,另一方面也擔心他雖然念了很多書,將來仍可能會下鄉當農民,反而更痛苦。講到這裡,他那帶有上海腔的語調顯得有些無奈。 

幸好大時代的悲劇到此已進入尾聲,1978年,中國開始改革開放,重新開啟的大學接受不同年齡層的人士報考。這一年張首晟初中畢業,老師鼓勵他去試試看,他跟幾個年紀剛好比他大三歲的鄰居聊過之後,發現「高中教的東西太簡單了,他們的程度好像也沒有比我好!」建立自信心之後,他花了一個暑假自修高中課程,高分考上復旦大學物理系。他選擇物理系的原因跟許多人一樣:受到楊振寧和李政道得到諾貝爾獎的影響。 

這時中國也開始恢復留學制度,由於張首晟在復旦的成績很好,他只讀了一學期,就被派到德國柏林自由大學留學。1980年,17歲的張首晟學了一年德語就負笈德國,展開留學生涯。

1981年暑假,窮留學生張首晟搭便車到各地遊覽。有一天,他來到德國中部的美麗小城哥丁根,哥丁根大學旁邊的一處墓園,葬著他非常崇拜的大數學家高斯、希爾伯特、大物理學家波恩、海森堡等人。他看到這些偉人的墓碑上,除了自己的名字外,大都只刻著簡單一句話或一條公式,但卻是對人類影響極其深遠的重大貢獻,例如海森堡的墓碑上刻著測不準原理的公式,希爾伯特的則是「我們必須知道,我們終必將知道」,這正是希爾伯特對自己提出的23個問題的懷想。 

看到這些人類文明的驕傲,卻只要用一行字就可以描繪,讓他大受震撼,領悟到「追求理想才是最有意義的,人生在世就應該像這些人一樣,為全人類留下些什麼。」於是他決定繼續念物理,「我要投入全部的生命,為科學做出一番貢獻!」講到當年立定的志向,張首晟彷彿回到少年時代,語氣中充滿了豪情壯志。德國的大學物理系一般要讀五年,張首晟只讀三年就畢業了

後來他順利申請到楊振寧任教的美國紐約石溪大學物理系攻讀博士然而楊振寧卻勸他不要研究高能物理,而應注意當時剛崛起的「凝態物理」。這讓張首晟非常震驚且不可思議:「你怎麼會勸我讀這個根本沒聽過的領域?」楊振寧告訴他,在物理學的發展過程,實驗非常重要,而凝態物理領域中,有許多非常奇妙的實驗值得關注;此外,從一顆沙粒也可以看到世界,要瞭解愛因斯坦的夢想,不一定要研究統一場論,凝態物理可以帶領他從看得見、摸得著的沙粒中,發現整個世界的奧妙。 張首晟終於看出楊振寧的話確實有道理,因為要研究那種小到普朗克尺度的物理,加速器能量必須達到1030GeV(1GeV為10億電子伏特)以上,而當時加速器能量還不到102GeV(現在大強子對撞機也只有104GeV),實在差太遠。於是他接受了楊振寧的勸告,轉而研究凝態物理…… 

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