Eingeschlossene nicht-neutrale Plasmen, Flüssigkeiten und Kristalle (die thermischen Gleichgewichtszustände)

Plasmen, die ausschließlich aus Teilchen mit einer einzigen Vorzeichenladung bestehen (z. B. reine Elektronenplasmen und reine Ionenplasmen), können durch statische elektrische und magnetische Felder (in einer Penningfalle) eingesperrt und auch in einem Zustand des globalen thermischen Gleichgewichts sein. Diese wichtige Eigenschaft unterscheidet diese völlig unneutralisierten Plasmen von neutralen und quasineutralen Plasmen. In diesem Papier werden die Bedingungen für und die Struktur der thermischen Gleichgewichtszustände überprüft. Sowohl Theorie als auch Experiment werden diskutiert, aber der Schwerpunkt liegt deutlich auf der Theorie. Es ist ein großer Vorteil, die thermische Gleichgewichtstheorie der statistischen Mechanik zu verwenden, um den Plasma-Zustand zu beschreiben. Eine solche Beschreibung ist leicht zu erhalten und vollständig, einschließlich der Details der Plasmaform und der mikroskopischen Ordnung. Reine Elektronen- und reine Ionenplasmen werden routinemäßig über Stunden und sogar Tage eingeschlossen, und thermische Gleichgewichtszustände werden beobachtet. Diese Plasmen können auf den kryogenen Temperaturbereich abgekühlt werden, wo flüssige und kristallähnliche Zustände realisiert werden. Die Autoren diskutieren die Struktur der korrelierten Zustände getrennt für drei Plasma-Größen: große Plasmen, in denen die freie Energie vom Volumenplasma dominiert wird; Mesoskalenplasmen, in denen die freie Energie stark von der Oberfläche beeinflusst wird; und Coulomb-Cluster, in denen die Anzahl der Teilchen so klein ist, dass das kanonische Ensemble keine gute Approximation für das mikrokannische Ensemble ist. Alle drei Fälle wurden durch numerische Simulationen, analytische Theorie und Experiment untersucht. Neben der Beschreibung der Struktur der thermischen Gleichgewichtszustände entwickeln die Autoren eine thermodynamische Theorie des eingeschlossenen Plasma-Systems. Thermodynamische Ungleichungen und Maxwell-Beziehungen liefern nützliche Grenzen und allgemeine Beziehungen zwischen den partiellen Ableitungen der verschiedenen thermodynamischen Variablen.