2016年9月，解放日报·上观新闻记者在上海科学会堂聆听了美国科学院院士、中国科学院外籍院士张首晟做的报告，感觉他口才很好，讲话语速很快，还挺帅气，是一位既有才华又有能力的科学家。令人痛惜的是，这样一位有望获得诺贝尔物理奖的顶尖科学家，12月1日因抑郁症意外离世，年仅55岁。

提出“电子高速公路”方案

张首晟对量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体进行了开创性研究，被认为是最有希望获得诺贝尔物理奖的华人科学家之一。他在上海科学会堂的报告中预言，拥有“电子高速公路”的拓扑绝缘体将进入应用阶段，为人类带来新的半导体材料、能源材料，解决摩尔定律即将失效的难题。

摩尔定律指在价格不变情况下，集成电路上可容纳的元器件数目和性能，每隔18—24个月会提高1倍。几十年来，全球芯片研发一直遵循摩尔定律，但如今，这一定律即将走到尽头。这是什么原因？张首晟告诉听众：“电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。你们把笔记本电脑放在腿上，时间一长就感觉很烫。正是电子间碰撞产生的热量，导致摩尔定律将失效。”

怎样才能让“电子跑车”不相互碰撞？张首晟提出了“电子高速公路”方案，让电子在一条条“单向车道”上运行，不就相安无事了吗？“你们看，基础研究的很多想法看似简单，但往往能从根本上解决问题。”循着这一思路，他带领团队深入研究量子霍尔效应、相对论，于2006年提出了“量子自旋霍尔效应”构想：电子自旋（好似自转）轨道与其“公转”轨道有神奇“接口”，利用这种特性，科技人员能够让芯片里的电子在不同轨道上自旋，就像在不同车道上运行一样。2007年，这一理论预言被德国维尔茨堡大学实验小组证实。同年，量子自旋霍尔效应被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。

希望迎来拓扑绝缘体时代

在这一理论基础上，张首晟带领团队预言了一系列名为“拓扑绝缘体”的新材料。“锡烯”是其中之一，堪称“石墨烯的堂弟”，只有一个原子层，且有蜂窝状结构，具有很好的应用前景。2015年，他与上海交通大学钱冬、贾金锋合作，首次制备出烯锡，论文发表于《自然·材料学》。

张首晟认为，新材料对人类文明的进程有重大意义，石器时代、青铜器时代……人类的很多时代以材料命名。“我希望我们将迎来拓扑绝缘体时代，研制出半导体新材料、能源新材料，将它们投入实际应用。我们还有望利用拓扑绝缘体制造出量子计算机。”

谈到成功经验，他认为，“跨界”是实现原始创新的一大法宝。“我从小喜欢数学，后来对拓扑学产生兴趣，在研究新材料时，就引入了这一数学概念。”他还指出，科学教育的第一要义是培养孩子的好奇心，唯有受好奇心驱动，一个人的学习效果才能达到最佳。张首晟儿子获得奥林匹克物理竞赛金牌，正是得益于这种家庭教育。

为何与诺贝尔奖失之交臂

2016年10月，诺奖评审委员会将物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨。三位获奖者从事的研究领域与张首晟一样，都是凝聚态物理。
诺奖评审委员会为何选择了这三位七八十岁的英美老科学家，而不是多年“陪跑”诺奖的张首晟呢？上海交通大学物理与天文系教授王孝群分析说，近年来，拓扑绝缘体、外尔半金属成为凝聚态物理学研究的热点，张首晟在拓扑绝缘体领域做出了开创性工作，而且这类“超级材料”有很大的潜在应用价值，所以成为诺贝尔物理学奖的热门人选。然而，当诺奖评委们考虑拓扑绝缘体时，必然会追根溯源，想到多年前在这一领域做出奠基性工作的科学家。“他们会自然而然地想到索利斯、霍尔丹和科斯特利茨，因为在上世纪70—80年代，他们第一次把拓扑学原理引入了凝聚态物理，用这种美妙的几何学描述物质的相变。”

王孝群认为，把大奖授予这三位科学家，是物理学界可以普遍接受的。而如果授予张首晟，肯定会有很多科学家提出：为何忽略了这三人的早期工作？“当然，这并不意味着张首晟就此与诺奖无缘，因为他在拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应方面，做出的也是开创性工作。”

可惜的是，已不幸逝世的这位华人科学家再也无法摘得诺奖了。