霍尔效应最初由科学家埃德温·霍尔在19世纪末发现，即通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90度。1980年，科学家又发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应会呈现电子按顺时针沿导体边缘运动，即量子化的表现形式，这就是量子霍尔效应。量子霍尔效应的发现给物理学界带来了重大的影响，曾两次被授予诺贝尔奖。与无序运动导致热量消耗相比，量子霍尔效应中的电流几乎没有能量损失，由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。
电子是电流的载体，它除了负有电荷以外，还具有一种叫做自旋的性质，这种自旋也会出现量子霍尔效应，这就是?量子自旋霍尔效应?。在这种效应下，同样没有能量损耗， 所不同的是它不需要强磁场和极低温的苛刻条件。如果能够在室温下实现量子自旋霍尔效应，无疑会突破摩尔定律的限制，很有可能催生新的几乎不发热的电脑元器件。
张首晟形象地介绍说：电子是电流的载体，它除了负有电荷以外，还具有一种自旋性质，就如同地球绕着太阳转，而地球本身也在自转一样。在运动过程中，电子从一端走到另一端，就如同要走过一个杂乱无章的迪斯科舞场，电子无规则地跳舞，不可避免地会发生碰撞，碰撞就会耗散热量。而?量子自旋霍尔效应?找到了一个新的规律，即电子自转方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地舞蹈，从而使能量耗散很低。因此，利用?量子自旋霍尔效应?，有可能研制出新一代的电脑，延长摩尔定律的生命。
在?量子自旋霍尔效应?下，芯片中的电子能够像高速公路上的汽车一样正反方向地分开运动，各行其道，互不干扰。这一理论预言近年来被越来越多的实验证实，科学家发现在很多不同的材料中都能实现?量子自旋霍尔效应?。2008年，张首晟与中国科学院物理所方忠研究小组合作发现了一种三维新材料。2009年底，张首晟与清华大学物理系薛其坤院士领导的研究小组开展理论与实验上的紧密合作，2009年底成功地制备出高质量的薄膜材料，其世界领先地位得到国际公认。
师从物理学大师杨振宁
在柏林自由大学获得学士学位后，张首晟决定到美国纽约州立大学石溪分校理论物理研究所拜杨振宁为师。关于这一件事，张首晟在1999年5月的一次为庆祝杨振宁教授退休而举行的?对称性与现代物理学?讨论会上有详细说明：
能够在庆祝杨振宁教授退休的?对称与现代物理学?讨论会上发言，我感到非常荣幸。要在台下众多为这半个世纪物理学做出巨大贡献的先辈面前介绍我本人的工作，实在很不合适。因此，我更愿意借此机会回顾一下我和杨教授之间的个人交往，以及他对我科学生涯的巨大影响。自从我作为一个学生第一次接触物理学以来，他一直是我的偶像。今天，长岛这一可爱的春日，使我生动地回忆起我到石溪读研究生的第一天的情形。自那天以来，他不但在课堂上教我物理学，也在私人谈话的场合向我传授物理学知识。他会给我提出丰富多彩的建议，给我讲一些鼓舞人心的事例。但最最重要的是，他教导我，物理学是美的，而且他的研究经历也告诉我们大家，对美、品味和风格的主观判断，往往可以导致理论物理学上的巨大发现。
尽管杨教授非常忙，但他总是抽出时间和新来的研究生谈话。在他第一次和我见面的时候，他问我的兴趣是什么。我回答说理论物理的最高目标是追逐爱因斯坦的梦想，将引力和其他力统一起来，而我的兴趣也正在于此。使我大为惊讶的是，他不但不赞成我追求这样一种目标，甚至都不赞成我去从事通常的粒子物理研究。他颇有说服力地指出，物理学是一门范围十分
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2012年8月8日，国际理论物理学领域最高奖狄拉克奖授予美国斯坦福大学张首晟、普林斯顿大学邓肯·霍尔丹和查尔斯·凯恩三位教授。图为张首晟（左）获奖时的照片
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宽广的学科，随处可以找到有趣的问题。
从张首晟的讲话里可以清晰地看出，杨振宁对他的影响有多大。不但影响到他研究方向的选择，而且杨振宁的物理学思想已经深深沁入张首晟的灵魂之中。
然而当时张首晟几乎是在困惑与矛盾中离开杨振宁的办公室的，杨振宁讲的与他自己原来的设想居然大相径庭。好在困惑没有持续多久，因为杨振宁给研究生新生开设了一门课：?理论物理问题?。在这门课程里，杨振宁根本不涉及张首晟所认为的物理学?前沿问题?，而是讨论诸如玻姆-阿哈罗诺夫效应、伊辛模型的对偶性、超导体磁通量的量子化、位相和全息术以及磁单极子之类的问题。听完这门课程后，张首晟最大的收获是明白了如何选择研究课题，而这是从书本上不容易学到的。张首晟也由此明白了自然的复杂性可以统一于理论的美与简洁之中，而理论物理学的意义正在于此。
但是张首晟一时还是没有离开曾经吸引他的课题，开始跟着范·纽温惠曾（van Nieuwenhuizen）教授研究当时很时髦和吸引人的?超引力?问题。杨振宁曾经告诉他，如果你一时舍弃不了大统一理论，就尽快完成博士论文。张首晟觉得有道理，因此很快完成了几篇论文，1987年获得博士学位。
获得博士学位以后，张首晟一方面记住了杨振宁的建议，另一方面也由于越来越痴迷于凝聚态物理，之后成为加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）理论物理研究所的一名博士后。施里弗教授（1972年获得诺贝尔物理学奖获得者） 非常友好地欢迎他这样一个十足的新手加入到他的研究小组，并慷慨地教给他有关凝聚态物理的知识。最终张首晟决定完全转向凝聚态物理??这也正是杨振宁所期望的。凝聚态物理当时是一门有着广泛影响的物理学研究领域。
从UCSB出站后，张首晟加入到IBM公司欧马登（Almaden）研究中心。那时，杨教授关于?η配对?的论文刚发表于《物理评论快讯》上，张首晟怀着极大的兴趣阅读了它，并被其中的数学简洁性吸引了。他意识到这意味着有一个新的守恒律出现，但是他不知道它在物理上有什么意义，于是他邀请杨振宁到IBM做了一个报告，其间还和杨振宁讨论了一些问题。杨振宁对张首晟的看法表现出极大的兴趣，但因为他要赶飞机，他们只得匆匆结束了谈话。第二天，张首晟收到了杨振宁发来的一份15页的传真。
当张首晟在IBM的研究不断获得成就时，他被斯坦福大学物理系主任朱棣文注意上了。（朱棣文因?发展了用激光冷却和捕获原子的方法?于1997年10月15日获得诺贝尔物理学奖。）虽然朱棣文不是研究固体物理学的，但是他敏锐地认识到张首晟是一位不可多得的人才。为了物理系的发展，朱棣文硬是在1993年把张首晟从IBM请到了斯坦福大学物理系。从此张首晟一直在斯坦福大学从事物理学研究，斯坦福大学物理系也由此在固体物理学研究方面成为世界重镇之一。可见朱棣文的眼光非常厉害。
1995年，IBM研究所的斯卡拉皮诺（Douglas James Scalapino）教授到斯坦福大学访问，并报告高温超导方面的新的实验发现。这一发现令张首晟非常激动，因为这一实验发现与他原来所作出的理论预言几乎完全一致。此后，张首晟在凝聚态物理学方面的贡献越来越重要，引起了科学界广泛的关注，获得了这一领域的许多重奖。
荣获?欧洲物理奖?
2010年9月1日，?欧洲物理奖? 在波兰华沙颁奖，张首晟获得了这一殊荣。这次获奖是因为在?量子自旋霍尔效应?理论预言和实验观测领域的开创性贡献，张首晟与四位欧美科学家共同荣获2010年?欧洲物理奖?，他也是获得该奖项的首位华人科学家。?量子自旋霍尔效应?获奖
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栏目责编：林凤生 Email：linfengs2008@yahoo.cn 电话：021-56654610
近年来国际物理学界有一颗耀眼的新星正在冉冉升起，他就是张首晟，美国华裔物理学家、美国斯坦福大学物理系教授。张首晟2011年入选美国艺术与科学院院士，2012年荣获美国物理学会巴克莱奖（Oliver Buckley Prize）、国际理论物理学中心狄拉克奖（Dirac Medal）。以至他的导师杨振宁信心满满地说：?对他来说获得诺贝尔奖只是个时间问题。?
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张首晟近照
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张首晟：诺贝尔奖的未来之星
□ 杨建邺
?文革?后的幸运儿，踏准了?制造神童?的直通道
张首晟，祖籍江苏高邮，1963年生于上海。这个年代出生在中国内地的孩子，都经受了一个教育缺失的年代，中学生和大学生都一股脑地去?大革命?去了，全国几乎没有人关注教育，所以到了1978年恢复高考时，张首晟可以说连初中都没有好好读过。这时他15岁，似乎应该好好去上高中吧？但是他的父亲却异想天开地给他买了一套那时非常畅销的《数理化自学丛书》，共计17册。这套书内容丰富、通俗易懂、深入浅出，因此便于自学，深受广大青年欢迎。他的父亲买来一套让儿子自修一个暑假，然后参加大学入学考试。也许父亲知道他的儿子很有天分，直接考大学说不定有一些希望。张首晟开始也并没有把握，但是还是到考场?试了一下?。正是这一试，他就居然考上了上海著名的复旦大学物理系，让邻居和朋友们大吃一惊！有趣的是张首晟的祖父张彝，字则民，在1906年考入复旦公学，是复旦建校后的第二届学生，1909年毕业，同时毕业的共16人。文凭上清晰地记录着张彝先生的国文、法文、伦理、化学、三角、体操等12门功课的毕业考试成绩，总平均分为80分8厘，在校三年他的总平均分达到77分7厘。监督（校长）高凤谦和教务长李登辉（1872?1947）签发了该证书。2004年冬，张首晟先生来复旦大学讲学时透露，伯父在清理祖父遗物时，发现了这张最早的复旦文凭。2005年，正值复旦百年华诞之时，张首晟把珍藏的?宝物?捐献给了母校，目前已陈列于复旦大学校史陈列馆。
人们也许会奇怪，这个实际上初中都没有毕业的张首晟到底是怎么读书的呢？一个暑假看了煌煌17册《数理化自学丛书》就能够考进著名的大学，其中有没有什么奥妙呢？当然，张首晟绝对是一个智力非同一般的孩子，这是没有问题的。仔细探讨他的成长历史，也许会得到一些很好的教益。
张首晟常常说，他有生以来能够由着?性子?干的第一件事就是读书，?狂读书?。他看书以及说话常常被人形容为?跳跃式?的，?开始看一本书，但是觉得开始的一段没啥意思，很有可能就跳到好多页后面去了。?以他
喜欢读的《三国演义》为例，有3指厚的一本书在他那里不到一周就?翻?完了。他说，?绝大多数的内容我是不看的?，只有他感到有意思的地方才会真正埋头读下去。这种方法听上去似乎有些?偷懒?。巧合的是，这些?有意思的?部分也多是被人们视为精华的地方，比如?草船借钱?一节，他就精读过。
读教科书他也是这样。张首晟曾经告诉记者，他在小学时基本上把?对自己人生影响较大?的书都读完了，但从来没有从头到尾读完过一本书。在他看来，读书是一个了解思维方式的过程，不是吸纳所有信息，而是有针对性地进行筛选。他认为读书是一个主动的过程，读书读的是前人智慧的结晶。这当然不是什么创新的事情，但读书的顺序是可以创新的。比如，一本书按照一、二、三、四的顺序写下来，读者如果对前三章的内容已经有个大概了解，就没必要再读，可以直接跳到第四章精读。这样的方法还有一个好处，如果第四章你实在读不懂，可以再返回去看前三章?找答案?，既有针对性，也节约时间。
他最开始涉猎的图书并非数学、物理，而是文学。至今他依然保留着小时候读过的《红楼梦》和《西方哲学史》。他说，从文学的书籍里，可以看到雕塑的美和建筑的美，而那些优美的诗句更像是一种压缩的?美????信息的极端压缩?，在很少的篇幅里包涵着大量的信息。
还有一个很重要的事件是他受到杨振宁、李政道获得诺贝尔物理学奖的激励，因此物理学对他产生了巨大的诱惑力。他在1999年一次演讲中说：
当我开始上学的时候，中国尚处在混乱的文化大革命时期。然而，尽管那时我们在学校学不到多少科学知识，每个学生却都熟知杨振宁和李政道的名字，以及他们对科学所做出的巨大贡献。科学家居然能够?证明?自然的?左手性?，我对此大为震撼，并决定将我所有课余时间都用来学习物理学。在中国过去的那些灰暗日子里，我在科学之美中找到了慰藉。这说起来要归功于杨教授在中国所产生的影响，对此我永远都感激不尽。
进入复旦大学以后，他的机遇真可以说是?天助我也?！这位?类似少年班的学生?有了第二次崭露头角的机会：1979年，国家开始公派留学生出国，16岁的张首晟有幸进入了中德学生交流计划，并被派往德国柏林自由大学，1983年获学士学位。同年赴美国纽约州立大学石溪分校。
师从物理学大师杨振宁
在柏林自由大学获得学士学位后，张首晟决定到美国纽约州立大学石溪分校理论物理研究所拜杨振宁为师。关于这一件事，张首晟在1999年5月的一次为庆祝杨振宁教授退休而举行的?对称性与现代物理学?讨论会上有详细说明：
能够在庆祝杨振宁教授退休的?对称与现代物理学?讨论会上发言，我感到非常荣幸。要在台下众多为这半个世纪物理学做出巨大贡献的先辈面前介绍我本人的工作，实在很不合适。因此，我更愿意借此机会回顾一下我和杨教授之间的个人交往，以及他对我科学生涯的巨大影响。自从我作为一个学生第一次接触物理学以来，他一直是我的偶像。今天，长岛这一可爱的春日，使我生动地回忆起我到石溪读研究生的第一天的情形。自那天以来，他不但在课堂上教我物理学，也在私人谈话的场合向我传授物理学知识。他会给我提出丰富多彩的建议，给我讲一些鼓舞人心的事例。但最最重要的是，他教导我，物理学是美的，而且他的研究经历也告诉我们大家，对美、品味和风格的主观判断，往往可以导致理论物理学上的巨大发现。
尽管杨教授非常忙，但他总是抽出时间和新来的研究生谈话。在他第一次和我见面的时候，他问我的兴趣是什么。我回答说理论物理的最高目标是追逐爱因斯坦的梦想，将引力和其他力统一起来，而我的兴趣也正在于此。使我大为惊讶的是，他不但不赞成我追求这样一种目标，甚至都不赞成我去从事通常的粒子物理研究。他颇有说服力地指出，物理学是一门范围十分
自然与科技Nature & SciTech
No.198 ( July-August 2013 )
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2012年8月8日，国际理论物理学领域最高奖狄拉克奖授予美国斯坦福大学张首晟、普林斯顿大学邓肯·霍尔丹和查尔斯·凯恩三位教授。图为张首晟（左）获奖时的照片
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宽广的学科，随处可以找到有趣的问题。
从张首晟的讲话里可以清晰地看出，杨振宁对他的影响有多大。不但影响到他研究方向的选择，而且杨振宁的物理学思想已经深深沁入张首晟的灵魂之中。
然而当时张首晟几乎是在困惑与矛盾中离开杨振宁的办公室的，杨振宁讲的与他自己原来的设想居然大相径庭。好在困惑没有持续多久，因为杨振宁给研究生新生开设了一门课：?理论物理问题?。在这门课程里，杨振宁根本不涉及张首晟所认为的物理学?前沿问题?，而是讨论诸如玻姆-阿哈罗诺夫效应、伊辛模型的对偶性、超导体磁通量的量子化、位相和全息术以及磁单极子之类的问题。听完这门课程后，张首晟最大的收获是明白了如何选择研究课题，而这是从书本上不容易学到的。张首晟也由此明白了自然的复杂性可以统一于理论的美与简洁之中，而理论物理学的意义正在于此。
但是张首晟一时还是没有离开曾经吸引他的课题，开始跟着范·纽温惠曾（van Nieuwenhuizen）教授研究当时很时髦和吸引人的?超引力?问题。杨振宁曾经告诉他，如果你一时舍弃不了大统一理论，就尽快完成博士论文。张首晟觉得有道理，因此很快完成了几篇论文，1987年获得博士学位。
获得博士学位以后，张首晟一方面记住了杨振宁的建议，另一方面也由于越来越痴迷于凝聚态物理，之后成为加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）理论物理研究所的一名博士后。施里弗教授（1972年获得诺贝尔物理学奖获得者） 非常友好地欢迎他这样一个十足的新手加入到他的研究小组，并慷慨地教给他有关凝聚态物理的知识。最终张首晟决定完全转向凝聚态物理??这也正是杨振宁所期望的。凝聚态物理当时是一门有着广泛影响的物理学研究领域。
从UCSB出站后，张首晟加入到IBM公司欧马登（Almaden）研究中心。那时，杨教授关于?η配对?的论文刚发表于《物理评论快讯》上，张首晟怀着极大的兴趣阅读了它，并被其中的数学简洁性吸引了。他意识到这意味着有一个新的守恒律出现，但是他不知道它在物理上有什么意义，于是他邀请杨振宁到IBM做了一个报告，其间还和杨振宁讨论了一些问题。杨振宁对张首晟的看法表现出极大的兴趣，但因为他要赶飞机，他们只得匆匆结束了谈话。第二天，张首晟收到了杨振宁发来的一份15页的传真。
当张首晟在IBM的研究不断获得成就时，他被斯坦福大学物理系主任朱棣文注意上了。（朱棣文因?发展了用激光冷却和捕获原子的方法?于1997年10月15日获得诺贝尔物理学奖。）虽然朱棣文不是研究固体物理学的，但是他敏锐地认识到张首晟是一位不可多得的人才。为了物理系的发展，朱棣文硬是在1993年把张首晟从IBM请到了斯坦福大学物理系。从此张首晟一直在斯坦福大学从事物理学研究，斯坦福大学物理系也由此在固体物理学研究方面成为世界重镇之一。可见朱棣文的眼光非常厉害。
1995年，IBM研究所的斯卡拉皮诺（Douglas James Scalapino）教授到斯坦福大学访问，并报告高温超导方面的新的实验发现。这一发现令张首晟非常激动，因为这一实验发现与他原来所作出的理论预言几乎完全一致。此后，张首晟在凝聚态物理学方面的贡献越来越重要，引起了科学界广泛的关注，获得了这一领域的许多重奖。
荣获?欧洲物理奖?
2010年9月1日，?欧洲物理奖? 在波兰华沙颁奖，张首晟获得了这一殊荣。这次获奖是因为在?量子自旋霍尔效应?理论预言和实验观测领域的开创性贡献，张首晟与四位欧美科学家共同荣获2010年?欧洲物理奖?，他也是获得该奖项的首位华人科学家。?量子自旋霍尔效应?获奖，表明这一研究领域
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量子自旋霍尔效应
霍尔效应最初由科学家埃德温·霍尔在19世纪末发现，即通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90度。1980年，科学家又发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应会呈现电子按顺时针沿导体边缘运动，即量子化的表现形式，这就是量子霍尔效应。量子霍尔效应的发现给物理学界带来了重大的影响，曾两次被授予诺贝尔奖。与无序运动导致热量消耗相比，量子霍尔效应中的电流几乎没有能量损失，由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。
电子是电流的载体，它除了负有电荷以外，还具有一种叫做自旋的性质，这种自旋也会出现量子霍尔效应，这就是?量子自旋霍尔效应?。在这种效应下，同样没有能量损耗， 所不同的是它不需要强磁场和极低温的苛刻条件。如果能够在室温下实现量子自旋霍尔效应，无疑会突破摩尔定律的限制，很有可能催生新的几乎不发热的电脑元器件。
已经引起国际主流科学界的高度重视，具有风向标意义。
张首晟领导的研究团队提出的"量子自旋霍尔效应"，被美国《科学》杂志评为2007年"全球十大重要科学突破"之一。张首晟形象地介绍说：电子是电流的载体，它除了负有电荷以外，还具有一种自旋性质，就如同地球绕着太阳转，而地球本身也在自转一样。在运动过程中，电子从一端走到另一端，就如同要走过一个杂乱无章的迪斯科舞场，电子无规则地跳舞，不可避免地会发生碰撞，碰撞就会耗散热量。而"量子自旋霍尔效应"找到了一个新的规律，即电子自转方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地舞蹈，从而使能量耗散很低。因此，利用"量子自旋霍尔效应"，有可能研制出新一代的电脑，延长摩尔定律的生命。
在"量子自旋霍尔效应"下，芯片中的电子能够像高速公路上的汽车一样正反方向地分开运动，各行其道，互不干扰。这一理论预言近年来被越来越多的实验证实，科学家发现在很多不同的材料中都能实现"量子自旋霍尔效应"。2008年，张首晟与中国科学院物理所方忠研究小组合作发现了一种三维新材料。2009年底，张首晟与清华大学物理系薛其坤院士领导的研究小组开展理论与实验上的紧密合作，2009年底成功地制备出高质量的薄膜材料，其世界领先地位得到国际公认。
虽然"量子自旋霍尔效应"的研究成果离真正投入应用还有一定距离，但这种新奇的物理现象有可能给未来的信息革命带来重大影响，电脑甚至量子计算都将随之发生巨大改变。张首晟说：科学界和工业界已达成共识，信息革命下一步的发展，一定要把"信息高速公路"建到芯片的层次。这已经是全世界范围的一个大趋势。而"量子自旋霍尔效应"的理论研究以及产业化开发，对科学界和信息产业界来说，都将是一次大洗牌的机会。
向诺贝尔奖冲刺
张首晟的研究成果得到了世界范围的广泛关注。作为我国?千人计划?特聘教授，张首晟领导的清华大学团队也使我国在这一研究领域达到了国际领先水平，有望引领世界发展趋势。这一成果，被2011年评为当年中国十大科技进展第一名。
2011年9月21日，中国科协第十三届年会上，求是奖年度颁奖典礼隆重举行。张首晟凭借在拓扑绝缘体领域所做的开创性工作获得了2011年度?求是杰出科学家奖?。清华大学物理系薛其坤、陈曦、贾金锋以及中科院物理所方忠、马旭村、戴希、张海军也因三维拓扑绝缘体项目获得?求是杰出科技成就集体奖?。此前?求是杰出科学家奖?曾多次授予中国两弹一星的元勋科学家们。
时间到了2012年2月底，在隆重召开的美国物理学年会上，张首晟又荣获了该组织在凝聚态领域的最高奖巴克莱奖，其研究成果再次得到世界范围的认可。与张首晟同时获得这个奖项的还有查尔斯·凯恩和劳伦斯·莫伦坎普。
巴克莱奖是美国物理学会每年一度的奖项，奖给?在凝聚态物理学做出杰出理论和实验贡献者?。这个奖项是AT&T 贝尔实验室提供的基金，用以纪念贝尔实验室前总裁奥利佛·巴克莱（Oliver E. Buckley）。
科学界普遍认为，把这一贡献限定到张首晟、查尔斯·凯恩和劳伦斯·莫伦坎普三人，显然是为他们日后获得诺贝尔奖做好准备。事实上获得巴克莱奖以后的物理系学家，获得诺贝尔奖的几率非常大。
2012年8月8日，联合国教科文组织下属的国际理论物理学中心宣布：国际理论物理学领域最高奖?狄拉克奖?本年度获奖者为：美国斯坦福大学张首晟、普林斯顿大学邓肯·霍尔丹和查尔斯·凯恩三位教授，他们因拓扑绝缘体理论共享这一殊荣。
狄拉克奖设立于1985年，以纪念诺贝尔物理学奖获得者、英国理论物理学家保罗·狄拉克，在每年8月8日狄拉克诞辰日公布获奖者名单。
这样，张首晟在2010年至今，已经获得物理学中最高的三个奖项（欧洲物理学奖、巴克莱奖和狄拉克奖），下一步再获诺贝尔奖也许是指日可待的事。我们热切期望这一天在近两年能够实现。
（作者单位：华中科技大学物理系）
自然与科技Nature & SciTech
No.198 ( July-August 2013 )
张首晟与恩师杨振宁先生在一起
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