在科研旅程中實(shí)現(xiàn)生命的價(jià)值
——記浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院研究員沙威

本刊記者 劉玉杰

沙威（第一排左3）、周永祖教授（第一排左2）及香港大學(xué)同事

魯迅先生曾說過：“即使慢，弛而不息，縱會(huì)落后，縱會(huì)失敗，但一定可以達(dá)到他所向的目標(biāo)?！庇纱丝梢?，努力與堅(jiān)持對(duì)一個(gè)人的重要意義?；厥鬃约旱目蒲兄罚惩寡裕骸耙宦纷邅聿⒉皇制巾槪恳徊蕉加龅搅嗽S多困難。但是，每當(dāng)靠著信念堅(jiān)持到最后一刻，所有困難都迎刃而解了?！彼f，自己不是一個(gè)天才，只是向著心中目標(biāo)默默努力的人，通過努力他抓住了機(jī)遇，轉(zhuǎn)變了命運(yùn)，遇見了更好的自己。

2017年，作為國(guó)家第13批國(guó)家“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者的沙威，來到了浙江大學(xué)。在這一新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，沙威已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的研究中繼續(xù)前行，努力做出更優(yōu)秀的科研成果。

充滿魅力，計(jì)算電磁學(xué)應(yīng)用廣泛

世界上的科研工作者總是在為解決不同的科研或工程問題而不停努力著。作為一名基礎(chǔ)科研工作者，沙威所做的主要工作就是針對(duì)一個(gè)科學(xué)或工程問題建立物理模型，并根據(jù)物理模型探索精確高效的數(shù)值求解方法，用得到的數(shù)值結(jié)果理解相關(guān)的物理現(xiàn)象，并以此指導(dǎo)工程和科學(xué)設(shè)計(jì)。

在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域，麥克斯韋方程組是英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在19世紀(jì)建立的一組描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。它可以推論出電磁波在真空中以光速傳播，并進(jìn)而做出光是電磁波的猜想。從這個(gè)基礎(chǔ)方程的相關(guān)理論，科學(xué)家們發(fā)展出了現(xiàn)代的電力科技與電子科技。沙威的主要任務(wù)就是通過高效精確地求解麥克斯韋方程，從而對(duì)不同電磁波段的工程和科學(xué)問題做出解答。

在太陽(yáng)能研究領(lǐng)域中，太陽(yáng)光的吸收過程可用麥克斯韋方程來描述。但電子和空穴的傳輸、收集過程，實(shí)際上是被漂移擴(kuò)散方程所主導(dǎo)。在該領(lǐng)域中，沙威除了求解麥克斯韋方程還會(huì)求解其它與麥克斯韋方程相耦合的漂移擴(kuò)散方程來探知太陽(yáng)能的工作原理，優(yōu)化科學(xué)家的設(shè)計(jì)，幫助實(shí)驗(yàn)學(xué)家理解相關(guān)的物理現(xiàn)象。

同時(shí)，從沙威的描述中，記者了解到，這種基礎(chǔ)計(jì)算科學(xué)的神奇之處在于：它可以適用于很多領(lǐng)域，能將多個(gè)學(xué)科聯(lián)系起來，一樣的數(shù)學(xué)物理方程可以解釋不同的物理現(xiàn)象，例如泊松方程不僅可以解釋靜電場(chǎng)問題還能解釋熱傳導(dǎo)問題，熱等離子體方程不僅能解釋空氣中電離的熱等離子體的運(yùn)動(dòng)還能在光學(xué)波段刻畫金屬中自由電子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又很類似流體動(dòng)力學(xué)中的斯托克斯方程。盡管這些領(lǐng)域不同，但都能通過求解一樣或相似的數(shù)學(xué)物理方程來研究科學(xué)問題。在研究方程求解、物理模型的過程中，不同領(lǐng)域不同物理現(xiàn)象之間的相似、不同與連接，會(huì)讓科學(xué)家們對(duì)物理世界的理解和認(rèn)識(shí)得到進(jìn)一步的深化、提升和更新，而正是這種交叉學(xué)科的魅力在深深地吸引著他。

不斷開拓，科研路上積淀成長(zhǎng)

生命中的挑戰(zhàn)會(huì)幫助你發(fā)現(xiàn)新的自我。本科期間，沙威就讀于安徽大學(xué)電子信息工程專業(yè)，在眾多學(xué)科中他對(duì)電磁學(xué)展現(xiàn)出獨(dú)有的興趣。電磁波看不見摸不著，其中蘊(yùn)含的道理只能去想象，這一切激發(fā)了沙威極大的好奇心。一直以來，沙威喜歡用計(jì)算機(jī)程序去模擬物理現(xiàn)象，從事這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，更能把工程問題與數(shù)學(xué)物理知識(shí)結(jié)合起來，即便相關(guān)研究對(duì)他而言充滿挑戰(zhàn)，但他仍樂于深入其中進(jìn)行探索。

從本科到博士，沙威在安徽大學(xué)度過了9年時(shí)光，獲得了電磁場(chǎng)與微波專業(yè)的博士學(xué)位。2008年博士畢業(yè)后，為了能在專業(yè)研究中有更多的成長(zhǎng)與進(jìn)步，沙威選擇前往香港大學(xué)電機(jī)電子工程系從事博士后研究，并從2012年開始擔(dān)任香港大學(xué)電機(jī)電子工程系研究助理教授、博士生導(dǎo)師。

在香港大學(xué)任職期間，沙威對(duì)經(jīng)典計(jì)算電磁學(xué)、微納量子計(jì)算電磁學(xué)及電磁學(xué)多物理場(chǎng)分析領(lǐng)域均開展了研究工作，他將物理模型、數(shù)值算法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，做出了前沿性、創(chuàng)新性和高影響力的科研工作。

隨著納米制造工藝的飛速發(fā)展，和通信業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)信息傳輸及處理的迫切需求，設(shè)計(jì)小型化、短波長(zhǎng)、快速率、超寬帶的電磁器件成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，微納結(jié)構(gòu)電磁建模與仿真課題的重要性和緊迫性已日益凸現(xiàn)。面對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的諸多挑戰(zhàn)，近5年來，沙威團(tuán)隊(duì)圍繞微納結(jié)構(gòu)中非線性、量子效應(yīng)及光電耦合效應(yīng)的理論分析和模擬仿真的前沿問題，開展了非線性、量子計(jì)算電磁學(xué)，多物理場(chǎng)分析及其相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

與安徽大學(xué)導(dǎo)師吳先良教授

在麥克斯韋和薛定諤方程統(tǒng)一辛框架方面，沙威系統(tǒng)分析了兩個(gè)方程的數(shù)值穩(wěn)定和色散性，構(gòu)造了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最高時(shí)間穩(wěn)定度的辛算子，解決了傳統(tǒng)時(shí)域方法穩(wěn)定度低的難題；在國(guó)際上率先提出了高階共形和子網(wǎng)格技術(shù)，解決了電大曲面目標(biāo)時(shí)域電磁散射高精度數(shù)值計(jì)算的難題，證實(shí)了保辛結(jié)構(gòu)算法在長(zhǎng)時(shí)間電磁仿真中的優(yōu)勢(shì)；建立了麥克斯韋—薛定諤耦合方程的辛框架，實(shí)現(xiàn)了多物理場(chǎng)時(shí)域仿真的能量守恒和高穩(wěn)定性?；谛了惴ǖ南到y(tǒng)研究工作，沙威和安徽大學(xué)的吳先良教授、黃志祥教授共同榮獲安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)類二等獎(jiǎng)。其對(duì)高階辛算法的研究，不僅對(duì)解決電大復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射問題開辟了新的理論框架和數(shù)值解法，還為多物理場(chǎng)辛框架的建立奠定了基礎(chǔ)。

在微納結(jié)構(gòu)中的非線性、量子電磁效應(yīng)的建模方面，為解決商業(yè)軟件無法模擬納米金屬結(jié)構(gòu)非線性電磁散射這一難題，沙威團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)展了麥克斯韋—流體動(dòng)力學(xué)求解器，并同香港大學(xué)的姜立軍教授、熊曉燕博士合作，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了全金屬結(jié)構(gòu)二次諧波的高方向性輻射。在量子電磁學(xué)領(lǐng)域，不同于傳統(tǒng)的庫(kù)倫規(guī)范，沙威和其合作者初步建立了洛倫茲規(guī)范下的半經(jīng)典和全量子理論框架。通過微納計(jì)算電磁學(xué)的研究可發(fā)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)中新的非線性、量子電磁效應(yīng)和現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效、低耗的工程設(shè)計(jì)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)過程的人力、物力、財(cái)力，并總結(jié)出通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

在等離子體有機(jī)光伏器件的多物理場(chǎng)分析及實(shí)驗(yàn)方面，沙威發(fā)展了積分方程—快速傅里葉變換、頻域有限差分、模式匹配等嚴(yán)格的數(shù)值方法，解決了納米結(jié)構(gòu)光電池的電磁學(xué)建模問題。同時(shí)，他開拓了統(tǒng)一的有限差分框架和多波前快速算法，聯(lián)合求解麥克斯韋和漂移擴(kuò)散方程，率先建立等離子體有機(jī)光電池的多物理模型。其在有機(jī)光伏器件光電特性的建模和設(shè)計(jì)上所做的一系列研究工作，對(duì)多物理場(chǎng)分析、光電子器件物理、及推動(dòng)新一代環(huán)保、低成本、高效率光電池的產(chǎn)業(yè)化，有重大的理論和工程意義。

另一方面，在香港大學(xué)任職研究助理教授期間，沙威還建立了與香港大學(xué)周永祖、蔡植豪、姜立軍教授的長(zhǎng)期合作。同時(shí)，也保持和國(guó)外其他教授的密切合作或聯(lián)系。這些經(jīng)歷都為沙威將來開展科研和教學(xué)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

回顧起自己的學(xué)習(xí)、研究經(jīng)歷，沙威喜歡用“兩個(gè)9年”來概括，分別在安徽大學(xué)和香港大學(xué)度過的9年時(shí)光，成為了沙威青春歲月中最美好的記憶?，F(xiàn)如今回憶起來，心中只有滿滿的感恩與懷念。

在安徽大學(xué)學(xué)習(xí)期間，沙威在導(dǎo)師吳先良教授的引領(lǐng)下，研讀了許多有關(guān)于數(shù)值方法方面的論文，打下了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。來到香港大學(xué)后，沙威的研究方向從單一的數(shù)值方法演變到了更為豐富的物理建模，在物理基礎(chǔ)方面有了質(zhì)的進(jìn)步。此外，在研究課題的選擇上，香港大學(xué)的周永祖教授針對(duì)行業(yè)研究現(xiàn)狀，建議沙威將自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)投入到能源領(lǐng)域的研究中，而這一課題不僅是目前國(guó)家最為注重的戰(zhàn)略方向之一，而且可以做延續(xù)性、系統(tǒng)性的研究。對(duì)此，沙威在科研課題的選擇上受到了很大啟發(fā)。在工程技術(shù)方面，沙威非常感謝自己在安徽大學(xué)期間一起工作學(xué)習(xí)的同事，那時(shí)候沙威與同事們一起研究了許多計(jì)算機(jī)相關(guān)的技術(shù)，而這些技術(shù)對(duì)他今后從事計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬工作十分重要。這些經(jīng)歷、這些人都是沙威人生中最寶貴的財(cái)富。

無論何地，永不改變的科研初衷

2017年，沙威來到了浙江大學(xué)繼續(xù)自己的科研之路，面向多物理仿真領(lǐng)域、光電子產(chǎn)業(yè)更高的需求，開展產(chǎn)學(xué)研合作，發(fā)揮自己更大的科研能量。秉承著為國(guó)家的科研事業(yè)做出更多貢獻(xiàn)的初心，沙威決定在這一平臺(tái)，繼續(xù)科學(xué)研究。

沙威深知，在電磁學(xué)多物理場(chǎng)分析領(lǐng)域目前存在的問題還很多。身處多物理交叉領(lǐng)域，更需要學(xué)生具備多學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備，在科研人員的培養(yǎng)上仍需付出大量努力。此外，科學(xué)家還應(yīng)具備找到重要的、需要攻克的多物理問題的能力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行物理建模，在能夠很快地服務(wù)于工程與科學(xué)設(shè)計(jì)的前提下，發(fā)展更快、更為精確的數(shù)值算法。

來到浙江大學(xué)之后，沙威希望自己能夠有更多的時(shí)間和精力做一些基礎(chǔ)性的科研工作。他說：“現(xiàn)如今做基礎(chǔ)性科研工作的人很少，但是在太陽(yáng)能等相關(guān)領(lǐng)域?qū)σ恍┪锢砥骷慕＿@種基礎(chǔ)性科研工作還是不夠?！彼Ｍ軌蛲ㄟ^和團(tuán)隊(duì)成員的共同努力，在這一領(lǐng)域中逐步前行，培養(yǎng)更多的科研人才，達(dá)到足以與其他國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。

和香港大學(xué)同事在赤柱海灘

在團(tuán)隊(duì)建設(shè)上，沙威希望能夠循序漸進(jìn)地招募學(xué)生，成立一個(gè)10人左右的團(tuán)隊(duì)，沙威說：“科研團(tuán)隊(duì)不需要很大，這樣他才能夠?qū)⒆约鹤銐虻臅r(shí)間和精力，分配給每一個(gè)學(xué)生。”作為一名理論研究工作者，沙威也非常注重與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合；在培養(yǎng)學(xué)生方面，他也會(huì)結(jié)合學(xué)生的興趣，因材施教，給予他們建設(shè)性的指導(dǎo)。而在與學(xué)生的相處上，相較于嚴(yán)厲的風(fēng)格，沙威更傾向于以一種亦師亦友的模式與學(xué)生們相處。他常說，自己與學(xué)生是同一個(gè)“戰(zhàn)壕”的戰(zhàn)友，就像朋友一樣。在日常生活中，他也會(huì)給學(xué)生們講述自己對(duì)于生活的理解，對(duì)于世界、藝術(shù)的看法，與他們交流做人做事的道理，不僅在專業(yè)水平上能夠讓學(xué)生信服，在世界觀、價(jià)值觀、人生觀上，他也希望能夠和學(xué)生建立共同語(yǔ)言，從而與之一起更好地投入到科學(xué)研究之中。

面對(duì)未來，無懼挑戰(zhàn)堅(jiān)定前行

科研工作者總是與壓力并肩同行，但沙威從沒有過一絲抱怨。一路走來，“永不放棄”始終是沙威心中永不磨滅的信念。面對(duì)困難，他一直試圖從各種途徑尋找突破口，從未間斷過學(xué)習(xí)。

對(duì)于沙威而言，從事科研工作并不像他人認(rèn)為的那樣無聊與枯燥，他始終認(rèn)為科研很美，像一幅畫、一段音樂、一首詩(shī)，在推導(dǎo)與求解方程中會(huì)發(fā)現(xiàn)科學(xué)的另一種美，在突然領(lǐng)悟一個(gè)物理概念時(shí)，就會(huì)有一種“驀然回首，那人就在燈火闌珊處”的頓悟之感。此外，科學(xué)是強(qiáng)大的，它能解決很多實(shí)際問題，它的強(qiáng)大之處只有在不斷攀登的過程中，才可體會(huì)，而這些都在深深地吸引著他。

從事科研多年來，沙威很少有屬于自己的空閑時(shí)間。但即使工作再忙，他仍會(huì)強(qiáng)迫自己抽出時(shí)間進(jìn)行鍛煉，寫作也是他分享心情的出口。他說，人只有熱愛生活，才能從生活或者研究中挖掘到一些閃光的、具有“生命性”的、值得你努力的東西，這種“獲得”是發(fā)了多少學(xué)術(shù)文章、賺了多少錢永遠(yuǎn)無法媲美的。他感恩在這一路上，自己遇到了許多走入生命中的朋友，與他們一起前行、交流學(xué)習(xí)，他倍感幸福。

未來，沙威仍將把科研人才的培養(yǎng)放在第一位，通過申請(qǐng)科研項(xiàng)目來解決一些重要的工程及物理問題，加強(qiáng)與光電子和通訊企業(yè)的合作，在開源軟件的自主研發(fā)上貢獻(xiàn)力量，和其他老師聯(lián)合組織一些研討會(huì)，增加自己的個(gè)人影響力，通過網(wǎng)絡(luò)這一途徑，將自己的知識(shí)進(jìn)行傳遞與交流……

在實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值的科研旅程中，沙威從未停止前行！