科学家发现新型电磁涡环，为无线信息系统提供全新电磁载体

“你知道，对于年轻老师来说考核压力非常大，几年不出成果就意味着被淘汰。所以选择一个艰难的课题需要很大的勇气。”电子科技大学王任副教授说。曾经他也犹豫了很久，但是最后还是决定孤注一掷。因为他的内心不断告诉自己，要做就要做真研究，不能为了应付考核创造学术垃圾。

最终，他的这项成果刷新了人们以往对于电磁涡环的认知，同时为无线信息系统提供了全新的电磁载体，并被华为公司认为可能是 6G 通信的核心技术。目前，他正在和华为公司基于这一技术开展联合研究。

2022 年，是电磁涡环研究的“里程碑之年”。在此之前，电磁涡环研究仅仅停留在理论阶段。2022 年，Nature Photonics发表两项独立论文，分别首次产生了矢量涡环和标量涡环。但这两种涡环被认为是彼此独立存在的。

而王任团队本次提出了一种新的涡环：混合涡环。混合涡环同时具有矢量涡环和标量涡环的特征。比如，既有矢量涡环的斯格明子纹理，也有标量涡环的横向轨道角动量，这两者都被认为是提高下一代无线系统信息容量的重要载体。除此之外，混合涡环中还含有涡街拓扑结构，这对超分辨无线系统非常重要。

电磁涡环相对当前无线系统使用的平面波是一个巨大突破，所以有望基于电磁涡环构建全新的无线信息系统。

比如：基于电磁涡环的抗扰动传输特性，有望提高信息和能量传输的稳定性；基于混合涡环中同时含有的横向轨道角动量和斯格明子，有望在不增加传输口径的情况下大幅提高信息容量。

除了信息传输之外，混合涡环中的电磁涡街中含有大量具有不同特性的空时奇点和亚波长结构，可被用于超分辨率探测与成像。在宏观层面，有望构建新的雷达系统；在微观层面，有望构建新的高精度无线操控系统。

纵使四年功夫白费，不忘初心从头再来

王任表示，平面波是麦克斯韦方程组的典型解，也是典型的空时可分离横波。基于平面波所建立的信息传输技术体系已经引起了巨大的社会变革，使人类步入了辉煌的信息时代。

不过，随着该技术体系的逐渐完备，进一步提高信息传输容量、降低电磁扰动对信息传输的影响也变得越来越困难。

涡环和平面波非常不同，电磁涡环是空时不可分离的非横向电磁波，可以为信息传输提供平面波之外的自由度，有望突破现有无线系统的瓶颈。

所以，研究电磁涡环有望为下一代无线系统奠定电磁基础，而这正是本次研究的出发点。

早在读博阶段，王任越来越感觉到现有基于平面波的无线系统面临的瓶颈问题很难通过小修小补的研究解决，必须利用平面波以外的其他电磁波作为信息载体。为此，王任调研了很多理论，由此发现电磁涡环是一种可能的解决方案。

但是，自从科学家于 1989 年提出电磁涡环的方程以来，这种神奇的电磁脉冲始终未能被成功产生。所以，王任从 2018 年博士毕业后就开始尝试产生微波电磁涡环。

如前所述，定下这个决定并不容易，因为研究一个全新的问题就意味着放弃之前的很多积累，而且这个问题非常困难，短期内可能出不来成果。但是，王任决定冒险一试。

从 2018 年末开始，王任尝试了很多方法去产生电磁飞环。起初，他对一种基于频率选择表面加极化转换表面的方案充满了信心，从理论上来说其很有潜力。

但是在做的过程中面临了很多问题，首先是仿真问题，这种方案需要的计算量太大。刚一开始独立工作时，经费比较拮据，所以无法购买具有足够运算能力的服务器，这大幅限制了计算效率。

随着职业的发展，王任逐渐升级计算资源，后来终于有了计算能力。经过一番研究，他和团队发现频率选择表面加极化转换表面的方案确实能够产生电磁涡环。

课题组感到很开心，也先为方案申请了专利。然而，当需要在实验中测试时，他们又遇到了新的问题：测试电磁涡环太困难了，它的频带非常宽，又是空时不可分离的脉冲，所以需要非常精确的测试系统，而这是当时他们所没有的。

无奈之下，王任又开始和另一些学生从零开始搭建满足需要的测试系统。先花了大概一年多的时间搭建了简易的测试系统，发现效果不好之后又开始升级系统。

2022 年，在系统升级工作还没有完成之时，王任看到了英国团队已经在太赫兹和光频段使用和他们一样的方案率先实验产生了电磁涡环。为此，王任不得不放弃了已经进行了四年的方案。

这对王任是一个很大的打击，因为四年的功夫白费了。有一次，王任跟团队负责人王秉中教授聊天时，对方说：“大道至简，你之前的方案和系统太复杂了，要想实现实用也很困难，应该有更加简单有效的方案。”

“喇叭裤和里面的腿就像是一个同轴喇叭天线”

于是，王任开始复盘所有的方案和细节，有一天他在逛街时突然想到了同轴喇叭的方案。

具体来说，在陪爱人逛街时，王任还在思考电磁涡环生成方案的事情。那天，王任的爱人试了一个喇叭裤，从试衣间走出来问王任怎么样。

王任看到那条裤子，突然想到喇叭裤和里面的腿就像是一个同轴喇叭天线，而同轴喇叭天线的场和电磁涡环的横向矢量是非常相似的。基于这个模型可能构建一个非常简单而有效的方案。

于是，王任赶忙跑到办公室开始尝试，当天就获得了非常好的效果。“这个方案太简单而高效了，那天我高兴得睡不着觉。”其表示。

之后，王任又和鲍潘毅、胡志强等学生做了两年的实验，终于首次产生了微波电磁涡环。当前的无线系统的频率大都是微波，所以微波电磁涡环引起了很大的关注，还被德国科学家 Sabine Hossenfelder 称为是“最好的蓝天研究”。

最终，相关论文以《混合电磁环状涡流》（Hybrid electromagnetic toroidal vortices）为题发在Science Advances[1]，王任是第一作者兼通讯作者。

如今，王任在计算资源上可谓是“无冻馁之患矣”。他表示：“现在我们教研室的计算资源是很充沛的，以至于很多时候推销服务器租赁的公司联系我们问我们要不要租他们的服务器做计算，我们问了他们的配置，发现他们公司的计算能力还不如我们教研室。”

而正是这些计算资源对本次研究起到了关键作用。他继续说道：“我也特别感谢我的两位学生张默然和刘胜，他们帮助我做了很多仿真研究。目前他们都在华为工作，也取得了很好的发展。”

如前所述，这项研究的初衷就是突破现有基于平面波的无线信息系统，所以研究流程沿着理论研究、实现研究和应用研究的三步骤来走。

目前，王任和团队已经拥有既高效又简单的实现方案，所以下一步他们打算将重点放在基于电磁涡环开发新的无线信息系统上。

与此同时，为了响应国家的产学研贯通的号召，王任开办了一家公司（苏州神能无线科技有限公司），公司的业务主要是开发无线系统、为无线系统做配套等。

眼下，王任已经入选“姑苏创新创业领军”项目。

未来，王任将依托公司进行产业转化。同时，他也在和华为等公司接洽合作，共同开发基于电磁涡环的无线系统。“华为等公司非常重视该研究，多次请我为他们介绍该研究内容。”王任表示。

参考资料：

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.

运营/排版：何晨龙