“你知道，對於年輕老師來說考核壓力非常大，幾年不出成果就意味著被淘汰。所以選擇一個艱難的課題需要很大的勇氣。”電子科技大學王任副教授說。曾經他也猶豫了很久，但是最後還是決定孤注一擲。因為他的內心不斷告訴自己，要做就要做真研究，不能為了應付考核創造學術垃圾。
圖｜王任和團隊（來源：王任）
2022 年，是電磁渦環研究的“里程碑之年”。在此之前，電磁渦環研究僅僅停留在理論階段。2022 年，Nature Photonics 發表兩項獨立論文，分別首次產生了向量渦環和標量渦環。但這兩種渦環被認為是彼此獨立存在的。
而王任團隊本次提出了一種新的渦環：混合渦環。混合渦環同時具有向量渦環和標量渦環的特徵。比如，既有向量渦環的斯格明子紋理，也有標量渦環的橫向軌道角動量，這兩者都被認為是提高下一代無線系統資訊容量的重要載體。除此之外，混合渦環中還含有渦街拓撲結構，這對超分辨無線系統非常重要。
電磁渦環相對當前無線系統使用的平面波是一個巨大突破，所以有望基於電磁渦環構建全新的無線資訊系統。
比如：基於電磁渦環的抗擾動傳輸特性，有望提高資訊和能量傳輸的穩定性；基於混合渦環中同時含有的橫向軌道角動量和斯格明子，有望在不增加傳輸口徑的情況下大幅提高資訊容量。
除了資訊傳輸之外，混合渦環中的電磁渦街中含有大量具有不同特性的空時奇點和亞波長結構，可被用於超解析度探測與成像。在宏觀層面，有望構建新的雷達系統；在微觀層面，有望構建新的高精度無線操控系統。
（來源：Science Advances）
縱使四年功夫白費，不忘初心從頭再來
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。基於平面波所建立的資訊傳輸技術體系已經引起了巨大的社會變革，使人類步入了輝煌的資訊時代。
不過，隨著該技術體系的逐漸完備，進一步提高資訊傳輸容量、降低電磁擾動對資訊傳輸的影響也變得越來越困難。
渦環和平面波非常不同，電磁渦環是空時不可分離的非橫向電磁波，可以為資訊傳輸提供平面波之外的自由度，有望突破現有無線系統的瓶頸。
所以，研究電磁渦環有望為下一代無線系統奠定電磁基礎，而這正是本次研究的出發點。
早在讀博階段，王任越來越感覺到現有基於平面波的無線系統面臨的瓶頸問題很難透過小修小補的研究解決，必須利用平面波以外的其他電磁波作為資訊載體。為此，王任調研了很多理論，由此發現電磁渦環是一種可能的解決方案。
但是，自從科學家於 1989 年提出電磁渦環的方程以來，這種神奇的電磁脈衝始終未能被成功產生。所以，王任從 2018 年博士畢業後就開始嘗試產生微波電磁渦環。
如前所述，定下這個決定並不容易，因為研究一個全新的問題就意味著放棄之前的很多積累，而且這個問題非常困難，短期內可能出不來成果。但是，王任決定冒險一試。
（來源：Science Advances）
從 2018 年末開始，王任嘗試了很多方法去產生電磁飛環。起初，他對一種基於頻率選擇表面加極化轉換表面的方案充滿了信心，從理論上來說其很有潛力。
但是在做的過程中面臨了很多問題，首先是模擬問題，這種方案需要的計算量太大。剛一開始獨立工作時，經費比較拮据，所以無法購買具有足夠運算能力的伺服器，這大幅限制了計算效率。
隨著職業的發展，王任逐漸升級計算資源，後來終於有了計算能力。經過一番研究，他和團隊發現頻率選擇表面加極化轉換表面的方案確實能夠產生電磁渦環。
課題組感到很開心，也先為方案申請了專利。然而，當需要在實驗中測試時，他們又遇到了新的問題：測試電磁渦環太困難了，它的頻帶非常寬，又是空時不可分離的脈衝，所以需要非常精確的測試系統，而這是當時他們所沒有的。
無奈之下，王任又開始和另一些學生從零開始搭建滿足需要的測試系統。先花了大概一年多的時間搭建了簡易的測試系統，發現效果不好之後又開始升級系統。
2022 年，在系統升級工作還沒有完成之時，王任看到了英國團隊已經在太赫茲和光頻段使用和他們一樣的方案率先實驗產生了電磁渦環。為此，王任不得不放棄了已經進行了四年的方案。
這對王任是一個很大的打擊，因為四年的功夫白費了。有一次，王任跟團隊負責人王秉中教授聊天時，對方說：“大道至簡，你之前的方案和系統太複雜了，要想實現實用也很困難，應該有更加簡單有效的方案。”
（來源：Science Advances）
“喇叭褲和裡面的腿就像是一個同軸喇叭天線”
於是，王任開始覆盤所有的方案和細節，有一天他在逛街時突然想到了同軸喇叭的方案。
具體來說，在陪愛人逛街時，王任還在思考電磁渦環生成方案的事情。那天，王任的愛人試了一個喇叭褲，從試衣間走出來問王任怎麼樣。
王任看到那條褲子，突然想到喇叭褲和裡面的腿就像是一個同軸喇叭天線，而同軸喇叭天線的場和電磁渦環的橫向向量是非常相似的。基於這個模型可能構建一個非常簡單而有效的方案。
於是，王任趕忙跑到辦公室開始嘗試，當天就獲得了非常好的效果。“這個方案太簡單而高效了，那天我高興得睡不著覺。”其表示。
之後，王任又和鮑潘毅、胡志強等學生做了兩年的實驗，終於首次產生了微波電磁渦環。當前的無線系統的頻率大都是微波，所以微波電磁渦環引起了很大的關注，還被德國科學家 Sabine Hossenfelder 稱為是“最好的藍天研究”。
最終，相關論文以《混合電磁環狀渦流》（Hybrid electromagnetic toroidal vortices）為題發在 Science Advances[1]，王任是第一作者兼通訊作者。
圖｜相關論文（來源：Science Advances）
如今，王任在計算資源上可謂是“無凍餒之患矣”。他表示：“現在我們教研室的計算資源是很充沛的，以至於很多時候推銷伺服器租賃的公司聯絡我們問我們要不要租他們的伺服器做計算，我們問了他們的配置，發現他們公司的計算能力還不如我們教研室。”
而正是這些計算資源對本次研究起到了關鍵作用。他繼續說道：“我也特別感謝我的兩位學生張默然和劉勝，他們幫助我做了很多模擬研究。目前他們都在華為工作，也取得了很好的發展。”
如前所述，這項研究的初衷就是突破現有基於平面波的無線資訊系統，所以研究流程沿著理論研究、實現研究和應用研究的三步驟來走。
目前，王任和團隊已經擁有既高效又簡單的實現方案，所以下一步他們打算將重點放在基於電磁渦環開發新的無線資訊系統上。
與此同時，為了響應國家的產學研貫通的號召，王任開辦了一家公司（蘇州神能無線科技有限公司），公司的業務主要是開發無線系統、為無線系統做配套等。
眼下，王任已經入選“姑蘇創新創業領軍”專案。
參考資料：
1.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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