從智慧手機到超級計算機，電子裝置都存在散熱問題。現代計算機晶片遭受微觀“熱點”的困擾，其功率密度水平超過火箭噴嘴，甚至接近太陽表面。正因如此，美國資料中心消耗的總電量中，超過一半不是用於計算，而是用於冷卻。許多有前景的新技術——例如 3D 堆疊晶片和可再生能源系統——都因錯誤的熱量而無法充分發揮潛力，這些熱量會降低裝置的效能、可靠性和壽命。
加州大學洛杉磯分校的物理學家兼機械工程師胡永傑說：“熱量非常難以管理。” “控制熱流一直是物理學家和工程師的夢想，但它仍然難以捉摸。”
但胡和他的同事可能找到了解決方案。正如去年 11 月在《科學》雜誌上報道的那樣，他的團隊開發了一種新型電晶體，該電晶體可以透過利用單分子水平原子鍵的基本化學性質來精確控制熱流。這些“熱電晶體”很可能成為未來電路的核心元件，並將與電電晶體協同工作。胡說，這種新型裝置已經價格實惠、可擴充套件且與當前的工業製造實踐相容，並且可能很快就會被納入鋰離子電池、內燃機、半導體系統（如計算機晶片）等的生產中。
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胡說：“這項發明代表了一項革命性的突破，具有巨大的實際應用價值。” “簡單來說，在此之前，一直沒有可用於精確熱控制的方法。”
電電晶體於 1947 年發明，它使工程師能夠精確控制電力，從而改變了世界。這些裝置現在是基本上所有電子裝置的關鍵元件，就像開關一樣工作：它們由兩個電流透過的端子和一個控制電流的第三個端子組成。如今，可以將數十億個電晶體擠壓到一個晶片上，雖然這種小型化已呈指數級提高了計算能力，但也使處理過多的熱量變得更具挑戰性。
但是，有了合適的技術，浪費的熱量不僅可以被捕獲以防止晶片損壞；它還可以被利用和重複使用。加州大學伯克利分校的實驗物理學家亞歷克斯·澤特爾說：“如今，電子電路中的大部分熱量都被認為是麻煩，人們只是試圖將其疏導走，而實際上應該加以利用。”他沒有參與這項新研究。“我懷疑，在未來，電子電路和熱電路將攜手合作。”
在過去的二十年中，像胡的研究團隊這樣的團隊一直在努力透過開發熱電晶體來控制熱流，使其像電電晶體控制電流一樣精確，從而迎來這一未來。然而，一些根本性的挑戰阻礙了他們的道路。例如，以前的熱電晶體設計通常依賴於笨拙的移動部件，這會減慢處理時間。結構問題也導致此類裝置發生故障。胡說：“該領域一直有很多興趣，但（過去的這些嘗試）沒有一項是成功的。”
為了規避這些限制，胡和他的同事花了十年時間開發一種全新的方法來構建熱電晶體。他們的技術利用了新電晶體的奈米級通道中原子之間形成的鍵。這些鍵合原子透過共享電子結合在一起，而這些電子在它們之間的分佈方式會影響鍵的強度。反過來，這會影響有多少熱量可以透過原子。
胡和他的同事發現，他們可以透過使用奈米級電極來操縱這些變數，該電極施加電場以精確控制熱量的運動。與電電晶體類似，這種新裝置由兩個熱量流動的端子和一個控制這種流動的第三個端子組成——在本例中，使用電場，電場調節裝置內電子和原子之間的相互作用。這導致熱導率的變化，並能夠精確控制熱量運動。
胡說，隨著該裝置的發明，現在可以“根據我們的需要操縱熱量以用於許多應用”。這包括防止計算機過熱，甚至回收這些曾經浪費的能量以供再利用。
在團隊的實驗中，與最近工程設計的其他不使用原子級鍵合的熱電晶體相比，這種新裝置創造了記錄，並且效能提高了幾個數量級。俄亥俄州立大學的實驗物理學家約瑟夫·赫雷曼斯說，其“新穎而優雅”的設計以“出色的”速度將冷卻能力導向特定區域，他沒有參與這項研究。在實驗中，研究小組發現，這種新裝置還顯著抑制了 1300% 的熱峰值，並在高可靠性下實現了所有這些控制。
萊斯大學的機械工程師傑夫·韋邁爾也沒有參與這項新研究，他補充說，利用電力操縱原子間鍵合以控制熱量的新技術很可能會“激發大量的進一步基礎研究”。
澤特爾說，在新裝置能夠“改變世界”之前，還需要做更多的工作。至關重要的是，未來的研究必須首先建立完全混合的電子-熱電路，這將需要將新的熱控制電路與現有的電路整合在一起。但澤特爾確實認為，這種新裝置實現了“優雅地[耦合]電子器件與熱能流”的主要潛在目標，從長遠來看，這才是“關鍵所在”。
胡和他的同事已經在嘗試該裝置的結構和材料，以進一步提高其效能。他們還在研究將其整合到不同系統中的方法，包括 3D 堆疊晶片。這些佈置透過堆疊 2D 晶片來解決基本的擴充套件挑戰，但它們的冷卻一直極具挑戰性。
微小的熱控制電晶體也可能具有醫療應用。胡的團隊正在與腫瘤學家合作，研究熱電晶體是否可以推進一種稱為熱療的癌症治療方法，該方法使用磁性粒子將致命的熱量輸送到惡性細胞。胡說，熱電晶體有可能被整合到探針或奈米顆粒中，從而為腫瘤學家提供對加熱的精確控制，這將更好地確保癌細胞被消滅，而健康細胞得以倖免。
正如電電晶體的發明引發了一波創新浪潮，開啟了當前的科技時代一樣，胡預測熱電晶體也可能帶來現在無法想象的突破。胡說：“這項發明為熱管理、熱處理和新的計算正規化開闢了巨大的機遇。” “熱電晶體是通往未來的門戶。”