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汤雷翰1996年任职英国帝国理工学院Blackett实验室讲师，1997年加入香港浸会大学物理系，历任副教授、教授。2020-2024年，他担任香港浸会大学计算和理论研究所主任。2010-2020年期间，他在北京计算科学研究中心主管复杂系统研究部。2024年受聘于西湖大学，任理学院及交叉科学中心讲席教授。

2010年，汤雷翰被选为美国物理学会会士。他曾在多个国际专业委员会任职，包括国际纯粹与应用物理联合会C3统计物理委员会（2014-2021），亚太物理学会理事（2014-2016），亚洲生物物理学会执行委员会（2010年至今）以及ICAM-I2CAM指导委员会（2020年至今）。2014至2016年间，他担任香港物理学会理事会主席。

近年来，汤雷翰的注意力逐步转向生命系统的内在有序运动、自组织行为及其生成过程的研究。他的团队与实验科学家合作，开发定量工具和模型，分析微生物代谢、蛋白质凝聚体的形成和润湿、细胞群体运动及与发育相关的生理过程等，寻找跨尺度组织原理，取得若干原创性成果。下一步研究将聚集传统统计物理方法与人工智能技术的深度融合，针对生命科学及合成生物学的需求，开发分析高维多模态系统动态演化的计算和理论方法。