从智能手机到超级计算机，电子设备都存在散热问题。现代计算机芯片遭受微观“热点”的困扰，其功率密度水平超过火箭喷嘴，甚至接近太阳表面。正因如此，美国数据中心消耗的总电量中，超过一半不是用于计算，而是用于冷却。许多有前景的新技术——例如 3D 堆叠芯片和可再生能源系统——都因错误的热量而无法充分发挥潜力，这些热量会降低设备的性能、可靠性和寿命。
加州大学洛杉矶分校的物理学家兼机械工程师胡永杰说：“热量非常难以管理。” “控制热流一直是物理学家和工程师的梦想，但它仍然难以捉摸。”
但胡和他的同事可能找到了解决方案。正如去年 11 月在《科学》杂志上报道的那样，他的团队开发了一种新型晶体管，该晶体管可以通过利用单分子水平原子键的基本化学性质来精确控制热流。这些“热晶体管”很可能成为未来电路的核心组件，并将与电晶体管协同工作。胡说，这种新型设备已经价格实惠、可扩展且与当前的工业制造实践兼容，并且可能很快就会被纳入锂离子电池、内燃机、半导体系统（如计算机芯片）等的生产中。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
胡说：“这项发明代表了一项革命性的突破，具有巨大的实际应用价值。” “简单来说，在此之前，一直没有可用于精确热控制的方法。”
电晶体管于 1947 年发明，它使工程师能够精确控制电力，从而改变了世界。这些设备现在是基本上所有电子设备的关键组件，就像开关一样工作：它们由两个电流通过的端子和一个控制电流的第三个端子组成。如今，可以将数十亿个晶体管挤压到一个芯片上，虽然这种小型化已呈指数级提高了计算能力，但也使处理过多的热量变得更具挑战性。
但是，有了合适的技术，浪费的热量不仅可以被捕获以防止芯片损坏；它还可以被利用和重复使用。加州大学伯克利分校的实验物理学家亚历克斯·泽特尔说：“如今，电子电路中的大部分热量都被认为是麻烦，人们只是试图将其疏导走，而实际上应该加以利用。”他没有参与这项新研究。“我怀疑，在未来，电子电路和热电路将携手合作。”
在过去的二十年中，像胡的研究团队这样的团队一直在努力通过开发热晶体管来控制热流，使其像电晶体管控制电流一样精确，从而迎来这一未来。然而，一些根本性的挑战阻碍了他们的道路。例如，以前的热晶体管设计通常依赖于笨拙的移动部件，这会减慢处理时间。结构问题也导致此类设备发生故障。胡说：“该领域一直有很多兴趣，但（过去的这些尝试）没有一项是成功的。”
为了规避这些限制，胡和他的同事花了十年时间开发一种全新的方法来构建热晶体管。他们的技术利用了新晶体管的纳米级通道中原子之间形成的键。这些键合原子通过共享电子结合在一起，而这些电子在它们之间的分布方式会影响键的强度。反过来，这会影响有多少热量可以通过原子。
胡和他的同事发现，他们可以通过使用纳米级电极来操纵这些变量，该电极施加电场以精确控制热量的运动。与电晶体管类似，这种新设备由两个热量流动的端子和一个控制这种流动的第三个端子组成——在本例中，使用电场，电场调节设备内电子和原子之间的相互作用。这导致热导率的变化，并能够精确控制热量运动。
胡说，随着该设备的发明，现在可以“根据我们的需要操纵热量以用于许多应用”。这包括防止计算机过热，甚至回收这些曾经浪费的能量以供再利用。
在团队的实验中，与最近工程设计的其他不使用原子级键合的热晶体管相比，这种新设备创造了记录，并且性能提高了几个数量级。俄亥俄州立大学的实验物理学家约瑟夫·赫雷曼斯说，其“新颖而优雅”的设计以“出色的”速度将冷却能力导向特定区域，他没有参与这项研究。在实验中，研究小组发现，这种新设备还显着抑制了 1300% 的热峰值，并在高可靠性下实现了所有这些控制。
莱斯大学的机械工程师杰夫·韦迈尔也没有参与这项新研究，他补充说，利用电力操纵原子间键合以控制热量的新技术很可能会“激发大量的进一步基础研究”。
泽特尔说，在新设备能够“改变世界”之前，还需要做更多的工作。至关重要的是，未来的研究必须首先创建完全混合的电子-热电路，这将需要将新的热控制电路与现有的电路集成在一起。但泽特尔确实认为，这种新设备实现了“优雅地[耦合]电子器件与热能流”的主要潜在目标，从长远来看，这才是“关键所在”。
胡和他的同事已经在尝试该设备的结构和材料，以进一步提高其性能。他们还在研究将其集成到不同系统中的方法，包括 3D 堆叠芯片。这些布置通过堆叠 2D 芯片来解决基本的扩展挑战，但它们的冷却一直极具挑战性。
微小的热控制晶体管也可能具有医疗应用。胡的团队正在与肿瘤学家合作，研究热晶体管是否可以推进一种称为热疗的癌症治疗方法，该方法使用磁性粒子将致命的热量输送到恶性细胞。胡说，热晶体管有可能被整合到探针或纳米颗粒中，从而为肿瘤学家提供对加热的精确控制，这将更好地确保癌细胞被消灭，而健康细胞得以幸免。
正如电晶体管的发明引发了一波创新浪潮，开启了当前的科技时代一样，胡预测热晶体管也可能带来现在无法想象的突破。胡说：“这项发明为热管理、热处理和新的计算范式开辟了巨大的机遇。” “热晶体管是通往未来的门户。”