Optické čerpání spinovou výměnou (SEOP)
Při použití metody optického čerpání spinovou výměnou (SEOP) zahrnuje polarizace plynu 3He tři kroky. Uvnitř skleněné cely je uzavřeno ~100 mg rubidia (Rb) a draslíku (K). Cela může být pod tlakem až 3 atm v závislosti na použití přístroje. Většinu plynu tvoří 3He, zatímco pouze malý objem (0,06-0,13 atm) tvoří N2. Kolem cely se udržuje rovnoměrné magnetické pole, aby se udržela polarizace.
Prvním krokem je polarizace rubidia (Rb) v plynné fázi. Jednoduchý diagram elektronového stavu pro nespárovaný valenční elektron Rb je uveden výše. Pomocí soustavy infračervených diodových laserů s vysokým výkonem (\(\lambda\) = 795 nm, specifické pro spektrum Rb) se úhlový moment z pravotočivě kruhově polarizovaného světla předává z fotonů na valenční elektrony Rb. Fotony, které mají spinový magnetický moment ms = +1, jsou absorbovány atomy Rb. Při zachování úhlového momentu hybnosti se excitované elektrony řídí výběrovým pravidlem \(\Delta\)mj= +1. Jediný povolený přechod je ze stavu mj = -½ do stavu mj = +½, protože elektrony jsou částice se spinem ½. Elektrony jsou excitovány ze základního stavu 5s½, mj = -½ orbital, do excitovaného stavu 5p½, mj = +½. Excitované elektrony jsou rovnoměrně rozděleny mezi spin +½ a -½ stavy orbitalu 5p prostřednictvím srážkového míchání. Z excitovaného stavu se elektrony radiativně rozpadají zpět do orbitalu 5s½, což je proces známý jako kolizní deexcitace, přičemž polovina se rozpadá do stavu mj = +½ a polovina se rozpadá do stavu mj = -½. Elektrony ve stavu mj = +½ zůstávají v tomto stavu ze dvou důvodů. Pravidla výběru brání dalšímu přechodu, kdy \(\Delta\)mj= +1. Kromě toho plyn N2 zakazuje emisi zářivých fotonů s mj= -1 z excitace elektronů v základním stavu mj = +½ do excitovaného stavu mj = -½. N2 má velký zhášecí absorpční průřez se schopností přenášet energii emitovanou z Rb do vlastního vibračního a rotačního pohybu. Místo toho laserové světlo znovu excituje elektrony, které se rozpadají do základního stavu mj = -½. Tento proces, známý jako depopulační čerpání, odstraňuje elektrony ze stavu mj = -½, aby zaplnily stav mj = +½ a polarizovaly Rb. Druhým krokem je polarizace draslíku (K). K tomuto procesu dochází prostřednictvím srážek spinové výměny atomů Rb s atomy K. V případě K jsou valenční elektrony excitovány ze základního stavu 4s½, orbital mj = -½, do excitovaného stavu 4p½, mj = +½. Tato interakce přenáší polarizaci Rb na K.
Konečným krokem je polarizace jádra 3He jádrem K i Rb prostřednictvím hyperjemné interakce. Ačkoli se s atomy 3He srážejí atomy Rb i K, proces spinové výměny je účinnější pro srážky K-3He než pro srážky Rb-3He (schéma výše). Aby došlo ke spinové výměně, musí nespárované valenční elektrony proniknout elektronovým mrakem 3He a srazit se s jádrem. Postupem času se plyn 3He polarizuje. Vzhledem k nízké pravděpodobnosti spinové výměny je proces polarizace 3He velmi pomalý. Doba plné polarizace neboli „pump-up time“ může být řádově 1-2 dny. Doba čerpání je dána řadou faktorů a liší se buňku od buňky. Přestože je proces SEOP pomalý, je možné polarizovat buňky při vysokých (1-10 atm) i nízkých tlacích
.