Spin Exchange Optical Pumping (SEOP)
Med SEOP-metoden (Spin Exchange Optical Pumping) foregår polariseringen af 3He-gasen i tre trin. Indesluttet i glascellen er ~100 mg rubidium (Rb) og kalium (K). Cellen kan sættes under et tryk på op til 3 atm afhængigt af instrumentets anvendelse. Det meste af gassen er 3He, mens kun en lille mængde (0,06-0,13 atm) er N2. Der opretholdes et ensartet magnetfelt omkring cellen for at opretholde polariseringen.
Det første trin er polarisering af Rubidium (Rb) i dampfasen. Et simpelt elektrontilstandsdiagram for den uparrede Rb-valenselektron er vist ovenfor. Ved hjælp af et infrarødt diode laser array med høj effekt (\(\lambda\) = 795 nm, der er specifik for Rb-spektret), overføres vinkelmomentet fra højre cirkulært polariseret lys fra fotoner til Rb-valenselektroner. Fotoner, som har et magnetisk spin-moment ms = +1, absorberes af Rb-atomerne. Under bevarelse af vinkelmomentet følger de exciterede elektroner udvælgelsesreglen \(\Delta\)mj= +1. Den eneste tilladte overgang er fra en mj = -½-tilstand til en mj = +½-tilstand, da elektroner er spin-½-partikler. Elektronerne er exciteret fra grundtilstanden 5s½, mj = -½ orbital, til den exciterede tilstand 5p½, mj = +½. De exciterede elektroner fordeles jævnt mellem spin +½- og -½-tilstandene i 5p-orbitalet ved kollisionsmæssig opblanding. Fra den exciterede tilstand henfalder elektronerne strålingsmæssigt tilbage til 5s½-orbitalet, en proces, der kaldes kollisionsmæssig de-ekspitation, hvor halvdelen henfalder til mj = +½-tilstanden og halvdelen henfalder til mj = -½-tilstanden. Elektroner i mj = +½-tilstanden forbliver i denne tilstand af to grunde. Selektionsreglerne forhindrer en anden overgang, hvor \(\Delta\)mj= +1. Desuden forbyder N2-gassen strålende fotonemissioner med mj= -1 fra at ophidse elektroner i grundtilstanden mj = +½ til den exciterede tilstand mj = -½. N2 har et stort slukningsabsorptionstværsnit med evnen til at overføre den energi, der udsendes fra Rb, til sin egen vibrations- og rotationsbevægelse. Laserlyset genansporer i stedet elektroner, som henfalder til grundtilstanden mj = -½. Denne proces, kendt som depopulationspumpning, fjerner elektroner fra mj = -½-tilstanden for at fylde mj = +½-tilstanden, hvilket polariserer Rb. Det andet trin er polariseringen af kalium (K). Denne proces sker gennem spinudvekslingssammenstød mellem Rb-atomer og K-atomer. I K’s tilfælde exciteres valenselektroner fra grundtilstanden 4s½, mj = -½ orbital, til den exciterede tilstand 4p½, mj = +½. Denne vekselvirkning overfører Rb-polariseringen til K.
Det sidste trin er polariseringen af 3He-kernen af både K og Rb gennem hyperfin vekselvirkning. Selv om både Rb- og K-atomer kolliderer med 3He-atomer, er spin-udvekslingsprocessen mere effektiv ved K-3He kollisioner end ved Rb-3He kollisioner (skematisk fremstilling ovenfor). For at spinudvekslingen kan finde sted, skal de uparrede valenselektroner trænge ind i 3He-elektronskyen og kollidere med kernen. Med tiden bliver 3He-gassen polariseret. På grund af den lave sandsynlighed for spinudveksling er 3He-polariseringsprocessen meget langsom. Den fulde polarisationstid eller “oppumpningstid” kan være i størrelsesordenen 1-2 dage. Oppumpningstiden er bestemt af en række faktorer og varierer fra celle til celle. Selv om SEOP-processen er langsom, er det muligt at polarisere celler med højt tryk (1-10 atm) såvel som med lavt tryk.