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“科研壓力巨大，對于年輕教師而言，幾年時間不出任何成果就意味著面臨淘汰。因此，選擇一個艱難的課題需要極大的勇氣。王任副教授說，曾經(jīng)他也曾猶豫過，但最終還是下定決心孤注一擲。因為他內(nèi)心始終告訴自己，要做出真研究，不能為了應(yīng)付考核而創(chuàng)造所謂的'學(xué)術(shù)垃圾'?！?/p>

最終，他的這項研究成果不僅刷新了人們對電磁渦環(huán)認(rèn)知，還在無線信息系統(tǒng)中提供了全新的電磁載體，并被華為公司視為未來6G通信技術(shù)的重要創(chuàng)新。目前，他正在與華為公司基于這一技術(shù)展開深入合作。

2022年，是電磁渦環(huán)研究的“里程碑之年”。在此之前，該領(lǐng)域僅處于理論研究階段。該年，Nature Photonics發(fā)表兩項獨立論文，首次報道了矢量渦環(huán)和標(biāo)量渦環(huán)。然而，這兩種渦環(huán)被認(rèn)為是彼此獨立存在的。

王任團隊提出了一種新型渦環(huán)——混合渦環(huán)，它同時具有矢量渦環(huán)的斯格明子紋理和標(biāo)量渦環(huán)的橫向軌道角動量特征。這兩種特性被認(rèn)為是提升下一代無線系統(tǒng)信息容量的關(guān)鍵因素。此外，混合渦環(huán)還包含渦街拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這對于超分辨率無線系統(tǒng)具有重要意義。

相對于當(dāng)前使用的平面波，電磁渦環(huán)是一個重大突破，因此有望基于電磁渦環(huán)構(gòu)建全新的無線信息系統(tǒng)。

比如，基于電磁渦環(huán)的抗干擾傳輸特性，有望顯著提高信息和能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性；利用混合渦環(huán)中的斯格明子和橫向軌道角動量，可以在不增加傳輸口徑的情況下，大幅提高信息容量。

除了信息傳輸領(lǐng)域，混合渦環(huán)中的電磁渦街還包含大量具有不同特性的空時奇點和亞波長結(jié)構(gòu)，這些特征可被用于實現(xiàn)超分辨率探測與成像。在宏觀層面，有望開發(fā)新的雷達(dá)系統(tǒng)；在微觀層面，有望構(gòu)建新的高精度無線操控系統(tǒng)。

盡管四年來的努力付出了代價，但他始終堅守初心，從頭再來。

王任表示，平面波是麥克斯韋方程組的典型解，也是典型的空時可分離橫波?；谄矫娌ㄋ⒌男畔鬏敿夹g(shù)體系已經(jīng)引起了巨大的社會變革，使人類步入了信息時代。

不過，隨著該技術(shù)體系的逐步完善，進一步提高信息傳輸容量、降低電磁擾動對信息傳輸?shù)挠绊懸沧兊迷絹碓嚼щy。

電磁渦環(huán)和平面波本質(zhì)上是不同的。電磁渦環(huán)作為一種無法用常規(guī)方式分離的非縱向電磁波，為信息傳輸提供了平面波之外的自由度，這有望突破現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。

因此，深入研究電磁渦環(huán)不僅為下一代無線系統(tǒng)提供了電磁基礎(chǔ)，更是本次研究的出發(fā)點。

在攻讀博士學(xué)位期間，王任逐漸意識到，現(xiàn)有基于平面波的無線通信系統(tǒng)面臨難以通過小修小補方式解決的瓶頸問題。為突破這一困境，他必須尋找平面波以外的其他電磁波形式作為信息載體。為此，他廣泛調(diào)研了相關(guān)理論，最終發(fā)現(xiàn)電磁渦環(huán)可能成為解決方案。

不過，自1989年科學(xué)家首次提出電磁渦環(huán)理論以來，這種神秘的電磁脈沖始終未能成功產(chǎn)生。因此，王任于2018年博士畢業(yè)后，便投身于微波電磁渦環(huán)的產(chǎn)生研究。

盡管決定研究這個全新領(lǐng)域并不容易，但王任明白，這意味著要放棄之前積累的許多經(jīng)驗，而且這個問題難度極大，短期內(nèi)可能難以取得成果。然而，他決定冒這個險。

從2018年底開始，王任嘗試了多種方法來產(chǎn)生電磁飛環(huán)。起初，他對一種基于頻率選擇表面加極化轉(zhuǎn)換表面方案充滿信心，理論上這種方案具有很大的潛力。

但在實施過程中遇到了許多問題，首先是仿真方面的挑戰(zhàn)，這種方案需要的計算量非常大。剛起步時，王任因經(jīng)費有限，無法購買足夠運算能力的服務(wù)器，導(dǎo)致計算效率大幅下降。

隨著職業(yè)發(fā)展，王任逐步升級了計算資源，終于具備了進行復(fù)雜仿真和計算的能力。經(jīng)過一番研究，他和團隊發(fā)現(xiàn)，頻率選擇表面加極化轉(zhuǎn)換表面方案確實能夠產(chǎn)生電磁渦環(huán)。

課題組對此感到十分高興，并因此申請了多項專利。然而，當(dāng)需要在實驗中測試這種電磁渦環(huán)時，他們又遇到了新的難題：測試電磁渦環(huán)極其困難，因為它的頻帶非常寬，而且是一種空時不可分離的脈沖，因此需要高度精確的測試設(shè)備，而當(dāng)時他們并不具備。

無奈之下，王任又開始與另一些學(xué)生一起從零開始搭建所需的測試系統(tǒng)。他們花了大約一年時間搭建了一個簡單的測試平臺，但發(fā)現(xiàn)效果并不理想，于是又開始對系統(tǒng)進行升級優(yōu)化。

2022年，盡管系統(tǒng)升級工作尚未完成，英國團隊已在太赫茲和光頻段通過電磁渦環(huán)實現(xiàn)了實驗?zāi)繕?biāo)。作為團隊一員的王任不得不放棄了此前四年的研究成果。

這次打擊對他而言尤為沉重，因為四年來的努力付諸東流。一次偶然的交談讓他深感挫敗，當(dāng)時團隊負(fù)責(zé)人王秉中教授建議：“電磁渦環(huán)方案過于復(fù)雜，難以在實用層面取得突破，不如尋找更簡單有效的解決方案。”

“喇叭褲內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與同軸喇叭天線有著相似之處?！?/p>

于是，王任開始重新審視所有方案，某天與愛人逛街時，靈感突然降臨。那天，王任的愛人試了一條喇叭褲，從試衣間走出來問起。

王任看到那條褲子后，意識到喇叭褲內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與同軸喇叭天線有著相似之處?；谶@一模型，他構(gòu)想出一個極為簡單而有效的解決方案。

回到辦公室后，他立即開始嘗試，當(dāng)天便取得了令人滿意的成果?！斑@個方案太簡單而高效了，”他說，“興奮得徹夜難眠?！?/p>

經(jīng)過兩年的努力，他們首次實現(xiàn)了微波電磁渦環(huán)的產(chǎn)生。如今，微波電磁渦環(huán)因其與現(xiàn)代無線系統(tǒng)頻段的契合而受到關(guān)注，甚至被德國科學(xué)家Sabine Hossenfelder稱其為“最優(yōu)的天空研究之一”。

最終，這篇題為《混合電磁環(huán)狀渦流》（Hybrid electromagnetic toroidal vortices）的論文發(fā)表在Science Advances上，王任任第一作者兼通信作者。

如今，王任在計算資源方面的困境已迎刃而解。他笑道：“如今我們教研室的計算資源可以說是‘過剩’，以至于很多時候有人向我們咨詢租用我們的服務(wù)器，我們甚至還不如他們。”

這種轉(zhuǎn)變不僅體現(xiàn)在研究上的突破，更反映在他對計算資源的靈活運用上。

在本次研究中，計算資源扮演了至關(guān)重要的角色。他進一步說道：“我也特別感謝我的兩位學(xué)生張默然和劉勝，他們?yōu)槲业难芯刻峁┝嗽S多仿真支持。目前，他們都在華為工作，并取得了不錯的事業(yè)成就?！?/p>

如前所述，這項研究的初衷是突破現(xiàn)有基于平面波的無線信息系統(tǒng)。因此，研究工作按照理論研究、實現(xiàn)研究和應(yīng)用研究的三個階段依次展開。

現(xiàn)在，王任與其團隊已經(jīng)找到了既高效又簡單的實現(xiàn)方案。下一步，他們計劃將重點轉(zhuǎn)移到基于電磁渦環(huán)開發(fā)新的無線信息系統(tǒng)的研究上來。

與此同時，為了響應(yīng)國家的產(chǎn)學(xué)研貫通號召，王任先生創(chuàng)立了蘇州神能無線科技有限公司。公司的主營業(yè)務(wù)包括無線系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)以及為相關(guān)系統(tǒng)提供配套支持等。

當(dāng)前，王任先生已經(jīng)入選姑蘇市的“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才”計劃。

未來，王任先生將依托蘇州神能無線科技有限公司開展產(chǎn)業(yè)化工作，并與華為等企業(yè)展開合作，共同開發(fā)基于電磁渦環(huán)的無線系統(tǒng)。華為等企業(yè)對這項研究非常重視，多次邀請王任先生為他們介紹相關(guān)研究成果。

參考文獻：

Wang, R., Ying, B., Shi, S., Wang, J., Wang, B. Z., Liang, M., & Shen, Y. (2025). Hybrid electromagnetic toroidal vortices.Science Advances, 11(8), eads4797.

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