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。
