科學家分兩個類型，I型能徵善戰，攻克一系列科技難題；II型運籌帷幄，指明科技的主攻方向。張首晟無疑屬於II型，他開創了全新的研究領域——拓撲絕緣體；預言「量子自旋霍爾效應」並被證實，預言「量子反常霍爾效應」並被證實；發現「天使粒子」證實了Majorana80年前的預言——存在一類沒有反粒子的粒子，是繼「上帝粒子」發現以來基礎物理的重大成就；同時他的研究還涉及量子計算、人工智慧以及區塊鏈等領域。2007年，他發現的「量子自旋霍爾效應」被《科學》雜誌評為當年的「全球十大重要科學突破」之一。2018年9月，張首晟獲得歐洲物理獎，其團隊掌握的「量子反常霍爾效應」將帶來世界晶片的革命。
張首晟先來說說拓撲絕緣體。按照導電性質的不同，材料可分為導電的——導體，如金屬，和不導電的——絕緣體，如陶瓷。拓撲絕緣體卻比較怪異，通俗說，它的內部是絕緣的，而邊界或表面卻是導電的，就好像在一塊陶瓷的表面鍍上一層導電的金屬。但又有不同，關鍵是「拓撲」，鍍上的金屬可以被剝落，而表面卻永遠會有，即其邊緣導電態在保證一定的對稱性前提下是穩定存在的。進一步的研究表明，在其表面，不同自旋的導電電子的運動方向是相反的。
拓撲絕緣體霍爾效應則更有意思，它是電子在電場+磁場中的流動產生的效應。這一現象是美國物理學家霍爾（E.H.Hall，1855—1938）於1879年在研究金屬的導電機制時發現的：電流垂直於外磁場通過導體時會發生偏轉，垂直於電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在導體的兩端產生電勢差。值得注意的是，發現霍爾效應時，霍爾只是一名研究生，而且電子尚未被發現（1897年由湯姆遜發現）。根據霍爾效應做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉變為數字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關的功能。
霍爾效應在霍爾效應發現百年後，1980年，德國物理學家克利青等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發現了量子霍爾效應，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。2005年，英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，在常溫下觀察到量子霍爾效應。他們於2010年獲諾獎。石墨烯是一層碳原子構成的平面結構，厚度只有0.34納米，是至今發現的厚度最薄和強度最高的材料。量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場，因此至今沒有廣泛應用於個人電腦和可攜式計算機上。
量子霍爾效應1982年，美籍華裔物理學家崔琦和美國物理學家勞克林、施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應，這個發現使人們對量子現象的認識更進一步，他們為此獲得了1998年的諾貝爾物理學獎。
分數量子霍爾效應除了帶有電荷外，電子還擁有另一個特性——自旋，擁有正常電子結構的材料可以與電場發生作用並最終出現帶自旋的霍爾效應，這需要基於拓撲絕緣體。2007年，張首晟教授預言「量子自旋霍爾效應」，之後被實驗證實。值得一提的是，這種材料使得我們可以獲得一種旋轉驅動且幾乎沒有能量損失的導電性，並且無須強磁場和低溫的條件。如果量子自旋霍爾系統中一個方向的自旋通道能夠被抑制，比如，通過鐵磁性，這自然的會導致量子反常霍爾效應，它是不需要外加磁場的量子霍爾效應。2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出磁性離子摻雜的一些拓撲絕緣體能形成穩定的鐵磁絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的最佳體系。北京時間2013年3月15日凌晨，世界著名權威學術刊物《科學》在線發表了中國科學家薛其坤團隊發現「量子反常霍爾效應」的消息。
量子反常霍爾效應值得一提的是，電子的自旋是1/2，有兩個方向，而光子本身是自旋為1的粒子，本身的傳播行為便具有內稟的自旋－軌道耦合效應，在一些具有強烈自旋－軌道相互作用的材料中，光的量子自旋霍爾效應將會非常明顯，對於這一類材料的研究促進了一門新興的材料研究分支——光子拓撲絕緣體。
光量子自旋霍爾效應量子反常霍爾效應的發現，有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗電晶體和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊作用：無需高強磁場，就可以製備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的晶片，進而可能促成高容錯的全拓撲量子計算機的誕生——這意味著個人電腦未來可能得以脫胎換骨。
天道