在科研旅程中实现生命的价值——记浙江大学信息与电子工程学院研究员沙威

本刊记者 刘玉杰

沙威（第一排左3）、周永祖教授（第一排左2）及香港大学同事

鲁迅先生曾说过：“即使慢，弛而不息，纵会落后，纵会失败，但一定可以达到他所向的目标。”由此可见，努力与坚持对一个人的重要意义。回首自己的科研之路，沙威坦言：“一路走来并不十分平顺，每一步都遇到了许多困难。但是，每当靠着信念坚持到最后一刻，所有困难都迎刃而解了。”他说，自己不是一个天才，只是向着心中目标默默努力的人，通过努力他抓住了机遇，转变了命运，遇见了更好的自己。

2017年，作为国家第13批国家“千人计划”青年项目入选者的沙威，来到了浙江大学。在这一新的转折点，沙威已经做好了准备，在计算电磁学领域的研究中继续前行，努力做出更优秀的科研成果。

充满魅力，计算电磁学应用广泛

世界上的科研工作者总是在为解决不同的科研或工程问题而不停努力着。作为一名基础科研工作者，沙威所做的主要工作就是针对一个科学或工程问题建立物理模型，并根据物理模型探索精确高效的数值求解方法，用得到的数值结果理解相关的物理现象，并以此指导工程和科学设计。

在计算电磁学领域，麦克斯韦方程组是英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。它可以推论出电磁波在真空中以光速传播，并进而做出光是电磁波的猜想。从这个基础方程的相关理论，科学家们发展出了现代的电力科技与电子科技。沙威的主要任务就是通过高效精确地求解麦克斯韦方程，从而对不同电磁波段的工程和科学问题做出解答。

在太阳能研究领域中，太阳光的吸收过程可用麦克斯韦方程来描述。但电子和空穴的传输、收集过程，实际上是被漂移扩散方程所主导。在该领域中，沙威除了求解麦克斯韦方程还会求解其它与麦克斯韦方程相耦合的漂移扩散方程来探知太阳能的工作原理，优化科学家的设计，帮助实验学家理解相关的物理现象。

同时，从沙威的描述中，记者了解到，这种基础计算科学的神奇之处在于：它可以适用于很多领域，能将多个学科联系起来，一样的数学物理方程可以解释不同的物理现象，例如泊松方程不仅可以解释静电场问题还能解释热传导问题，热等离子体方程不仅能解释空气中电离的热等离子体的运动还能在光学波段刻画金属中自由电子的运动，同时又很类似流体动力学中的斯托克斯方程。尽管这些领域不同，但都能通过求解一样或相似的数学物理方程来研究科学问题。在研究方程求解、物理模型的过程中，不同领域不同物理现象之间的相似、不同与连接，会让科学家们对物理世界的理解和认识得到进一步的深化、提升和更新，而正是这种交叉学科的魅力在深深地吸引着他。

不断开拓，科研路上积淀成长

生命中的挑战会帮助你发现新的自我。本科期间，沙威就读于安徽大学电子信息工程专业，在众多学科中他对电磁学展现出独有的兴趣。电磁波看不见摸不着，其中蕴含的道理只能去想象，这一切激发了沙威极大的好奇心。一直以来，沙威喜欢用计算机程序去模拟物理现象，从事这个领域的研究工作，更能把工程问题与数学物理知识结合起来，即便相关研究对他而言充满挑战，但他仍乐于深入其中进行探索。

从本科到博士，沙威在安徽大学度过了9年时光，获得了电磁场与微波专业的博士学位。2008年博士毕业后，为了能在专业研究中有更多的成长与进步，沙威选择前往香港大学电机电子工程系从事博士后研究，并从2012年开始担任香港大学电机电子工程系研究助理教授、博士生导师。

在香港大学任职期间，沙威对经典计算电磁学、微纳量子计算电磁学及电磁学多物理场分析领域均开展了研究工作，他将物理模型、数值算法、实验技术结合运用，做出了前沿性、创新性和高影响力的科研工作。

随着纳米制造工艺的飞速发展，和通信业对大数据信息传输及处理的迫切需求，设计小型化、短波长、快速率、超宽带的电磁器件成为当前的研究热点，微纳结构电磁建模与仿真课题的重要性和紧迫性已日益凸现。面对传统计算电磁学领域的诸多挑战，近5年来，沙威团队围绕微纳结构中非线性、量子效应及光电耦合效应的理论分析和模拟仿真的前沿问题，开展了非线性、量子计算电磁学，多物理场分析及其相应实验研究。

与安徽大学导师吴先良教授

在麦克斯韦和薛定谔方程统一辛框架方面，沙威系统分析了两个方程的数值稳定和色散性，构造了当时国际上最高时间稳定度的辛算子，解决了传统时域方法稳定度低的难题；在国际上率先提出了高阶共形和子网格技术，解决了电大曲面目标时域电磁散射高精度数值计算的难题，证实了保辛结构算法在长时间电磁仿真中的优势；建立了麦克斯韦—薛定谔耦合方程的辛框架，实现了多物理场时域仿真的能量守恒和高稳定性。基于辛算法的系统研究工作，沙威和安徽大学的吴先良教授、黄志祥教授共同荣获安徽省科学技术奖自然科学类二等奖。其对高阶辛算法的研究，不仅对解决电大复杂目标的电磁散射问题开辟了新的理论框架和数值解法，还为多物理场辛框架的建立奠定了基础。

在微纳结构中的非线性、量子电磁效应的建模方面，为解决商业软件无法模拟纳米金属结构非线性电磁散射这一难题，沙威团队独立发展了麦克斯韦—流体动力学求解器，并同香港大学的姜立军教授、熊晓燕博士合作，在国际上率先实现了全金属结构二次谐波的高方向性辐射。在量子电磁学领域，不同于传统的库伦规范，沙威和其合作者初步建立了洛伦兹规范下的半经典和全量子理论框架。通过微纳计算电磁学的研究可发现微纳结构中新的非线性、量子电磁效应和现象，实现精准、高效、低耗的工程设计，节省实验过程的人力、物力、财力，并总结出通用的设计准则。

在等离子体有机光伏器件的多物理场分析及实验方面，沙威发展了积分方程—快速傅里叶变换、频域有限差分、模式匹配等严格的数值方法，解决了纳米结构光电池的电磁学建模问题。同时，他开拓了统一的有限差分框架和多波前快速算法，联合求解麦克斯韦和漂移扩散方程，率先建立等离子体有机光电池的多物理模型。其在有机光伏器件光电特性的建模和设计上所做的一系列研究工作，对多物理场分析、光电子器件物理、及推动新一代环保、低成本、高效率光电池的产业化，有重大的理论和工程意义。

另一方面，在香港大学任职研究助理教授期间，沙威还建立了与香港大学周永祖、蔡植豪、姜立军教授的长期合作。同时，也保持和国外其他教授的密切合作或联系。这些经历都为沙威将来开展科研和教学工作奠定了良好的基础。

回顾起自己的学习、研究经历，沙威喜欢用“两个9年”来概括，分别在安徽大学和香港大学度过的9年时光，成为了沙威青春岁月中最美好的记忆。现如今回忆起来，心中只有满满的感恩与怀念。

在安徽大学学习期间，沙威在导师吴先良教授的引领下，研读了许多有关于数值方法方面的论文，打下了坚实的数学理论基础。来到香港大学后，沙威的研究方向从单一的数值方法演变到了更为丰富的物理建模，在物理基础方面有了质的进步。此外，在研究课题的选择上，香港大学的周永祖教授针对行业研究现状，建议沙威将自己所学的专业知识投入到能源领域的研究中，而这一课题不仅是目前国家最为注重的战略方向之一，而且可以做延续性、系统性的研究。对此，沙威在科研课题的选择上受到了很大启发。在工程技术方面，沙威非常感谢自己在安徽大学期间一起工作学习的同事，那时候沙威与同事们一起研究了许多计算机相关的技术，而这些技术对他今后从事计算机数值模拟工作十分重要。这些经历、这些人都是沙威人生中最宝贵的财富。

无论何地，永不改变的科研初衷

2017年，沙威来到了浙江大学继续自己的科研之路，面向多物理仿真领域、光电子产业更高的需求，开展产学研合作，发挥自己更大的科研能量。秉承着为国家的科研事业做出更多贡献的初心，沙威决定在这一平台，继续科学研究。

沙威深知，在电磁学多物理场分析领域目前存在的问题还很多。身处多物理交叉领域，更需要学生具备多学科的知识储备，在科研人员的培养上仍需付出大量努力。此外，科学家还应具备找到重要的、需要攻克的多物理问题的能力，在此基础上进行物理建模，在能够很快地服务于工程与科学设计的前提下，发展更快、更为精确的数值算法。

来到浙江大学之后，沙威希望自己能够有更多的时间和精力做一些基础性的科研工作。他说：“现如今做基础性科研工作的人很少，但是在太阳能等相关领域对一些物理器件的建模这种基础性科研工作还是不够。”他希望能够通过和团队成员的共同努力，在这一领域中逐步前行，培养更多的科研人才，达到足以与其他国家竞争的实力。

和香港大学同事在赤柱海滩

在团队建设上，沙威希望能够循序渐进地招募学生，成立一个10人左右的团队，沙威说：“科研团队不需要很大，这样他才能够将自己足够的时间和精力，分配给每一个学生。”作为一名理论研究工作者，沙威也非常注重与实验的结合；在培养学生方面，他也会结合学生的兴趣，因材施教，给予他们建设性的指导。而在与学生的相处上，相较于严厉的风格，沙威更倾向于以一种亦师亦友的模式与学生们相处。他常说，自己与学生是同一个“战壕”的战友，就像朋友一样。在日常生活中，他也会给学生们讲述自己对于生活的理解，对于世界、艺术的看法，与他们交流做人做事的道理，不仅在专业水平上能够让学生信服，在世界观、价值观、人生观上，他也希望能够和学生建立共同语言，从而与之一起更好地投入到科学研究之中。

面对未来，无惧挑战坚定前行

科研工作者总是与压力并肩同行，但沙威从没有过一丝抱怨。一路走来，“永不放弃”始终是沙威心中永不磨灭的信念。面对困难，他一直试图从各种途径寻找突破口，从未间断过学习。

对于沙威而言，从事科研工作并不像他人认为的那样无聊与枯燥，他始终认为科研很美，像一幅画、一段音乐、一首诗，在推导与求解方程中会发现科学的另一种美，在突然领悟一个物理概念时，就会有一种“蓦然回首，那人就在灯火阑珊处”的顿悟之感。此外，科学是强大的，它能解决很多实际问题，它的强大之处只有在不断攀登的过程中，才可体会，而这些都在深深地吸引着他。

从事科研多年来，沙威很少有属于自己的空闲时间。但即使工作再忙，他仍会强迫自己抽出时间进行锻炼，写作也是他分享心情的出口。他说，人只有热爱生活，才能从生活或者研究中挖掘到一些闪光的、具有“生命性”的、值得你努力的东西，这种“获得”是发了多少学术文章、赚了多少钱永远无法媲美的。他感恩在这一路上，自己遇到了许多走入生命中的朋友，与他们一起前行、交流学习，他倍感幸福。

未来，沙威仍将把科研人才的培养放在第一位，通过申请科研项目来解决一些重要的工程及物理问题，加强与光电子和通讯企业的合作，在开源软件的自主研发上贡献力量，和其他老师联合组织一些研讨会，增加自己的个人影响力，通过网络这一途径，将自己的知识进行传递与交流……

在实现人生价值的科研旅程中，沙威从未停止前行！