凝聚态物理研究的对象是物质的各种性质:铜为什么能导电,而橡皮就不能?为什么水会结冰,会变成蒸汽?等等。这个领域与应用,与世界经济发展,与人类的日常生活都有密切关系,所以是物理学中特别重要的领域。张首晟在此领域做出多项重要工作。其中最重要的是:关于自旋霍尔效应(QuantumSpin Hall Effect,QSH)的震惊物理学界的工作。
2005-2006年,美国宾州大学(University of Pennsylvania)的C.L. Kane和张首晟独立发表理论论文,指出有些复合物在适当条件下可能有表面导电现象。这两篇文章立刻引起所有凝聚态物理工作者的注意。可是哪些化合物,在何种条件下,才会有此奇特的表面导电现象是一个大难题。
他举例说,牛顿发现万有引力,说明了三大力学定理,但当时理论物理根本没有这个名词,他那本奠定物理学基础的书叫Mathematical Principles of Natural Philosophy,这是历史上最成功的用数学语言来描写大自然,体现着无与伦比的的美。“因为在最高的境界上,科学跟艺术,科学跟美,主观、客观是统一在一起的。”