Spin Exchange Optical Pumping (SEOP)
Bei der Methode des Spin Exchange Optical Pumping (SEOP) erfolgt die Polarisierung des 3He-Gases in drei Schritten. In der Glaszelle sind ~100 mg Rubidium (Rb) und Kalium (K) eingeschlossen. Die Zelle kann je nach Verwendung des Instruments mit einem Druck von bis zu 3 atm beaufschlagt werden. Der größte Teil des Gases ist 3He, während nur ein kleines Volumen (0,06-0,13 atm) aus N2 besteht. Ein gleichmäßiges Magnetfeld wird um die Zelle herum aufrechterhalten, um die Polarisation aufrechtzuerhalten.
Der erste Schritt ist die Polarisation von Rubidium (Rb) in der Dampfphase. Ein einfaches Elektronenzustandsdiagramm für das ungepaarte Rb-Valenz-Elektron ist oben dargestellt. Mit Hilfe einer Hochleistungs-Infrarot-Diodenlaseranordnung (\(\lambda\) = 795 nm, spezifisch für das Rb-Spektrum) wird der Drehimpuls von rechtszirkular polarisiertem Licht von Photonen auf Rb-Valenzelektronen übertragen. Die Photonen, die ein magnetisches Spinmoment ms = +1 haben, werden von den Rb-Atomen absorbiert. Unter Drehimpulserhaltung folgen die angeregten Elektronen der Auswahlregel \(\Delta\)mj= +1. Der einzige erlaubte Übergang ist der von einem mj = -½-Zustand zu einem mj = +½-Zustand, da Elektronen Spin-½-Teilchen sind. Die Elektronen werden vom Grundzustand 5s½, mj = -½ Orbital, zum angeregten Zustand 5p½, mj = +½, angeregt. Die angeregten Elektronen werden durch Kollisionsmischung gleichmäßig zwischen den Spin-½- und -½-Zuständen des 5p-Orbitals verteilt. Aus dem angeregten Zustand zerfallen die Elektronen durch Strahlung zurück in das 5s½-Orbital, ein Prozess, der als kollisionale De-Anregung bekannt ist, wobei die Hälfte in den Zustand mj = +½ und die andere Hälfte in den Zustand mj = -½ zerfällt. Die Elektronen im Zustand mj = +½ bleiben aus zwei Gründen in diesem Zustand. Die Auswahlregeln verhindern einen weiteren Übergang, bei dem \(\Delta\)mj= +1. Außerdem verhindert das N2-Gas, dass strahlende Photonenemissionen mit mj= -1 Elektronen im Grundzustand mj = +½ zum angeregten Zustand mj = -½ anregen. N2 hat einen großen Absorptionsquerschnitt und ist in der Lage, die von Rb emittierte Energie in seine eigene Schwingungs- und Rotationsbewegung zu übertragen. Stattdessen regt das Laserlicht erneut Elektronen an, die in den Grundzustand mj = -½ zerfallen. Bei diesem Prozess, dem so genannten Depopulationspumpen, werden Elektronen aus dem mj = -½-Zustand entfernt, um den mj = +½-Zustand aufzufüllen, wodurch das Rb polarisiert wird. Der zweite Schritt ist die Polarisierung des Kaliums (K). Dieser Prozess erfolgt durch Spin-Austausch-Kollisionen von Rb-Atomen mit K-Atomen. Im Falle von K werden Valenzelektronen aus dem Grundzustand 4s½, mj = -½ Orbital, in den angeregten Zustand 4p½, mj = +½, angeregt. Durch diese Wechselwirkung wird die Rb-Polarisation auf K übertragen.
Der letzte Schritt ist die Polarisierung des 3He-Kerns sowohl durch K als auch durch Rb durch Hyperfeinwechselwirkung. Obwohl sowohl Rb- als auch K-Atome mit den 3He-Atomen kollidieren, ist der Spin-Austauschprozess bei K-3He-Kollisionen effizienter als bei Rb-3He-Kollisionen (siehe Schema oben). Damit der Spin-Austausch stattfinden kann, müssen ungepaarte Valenzelektronen die 3He-Elektronenwolke durchdringen und mit dem Kern kollidieren. Mit der Zeit wird das 3He-Gas polarisiert. Aufgrund der geringen Wahrscheinlichkeit eines Spinaustauschs ist der 3He-Polarisierungsprozess sehr langsam. Die vollständige Polarisationszeit oder „Pump-up-Zeit“ kann in der Größenordnung von 1-2 Tagen liegen. Die Aufpumpzeit wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt und variiert von Zelle zu Zelle. Obwohl der SEOP-Prozess langsam ist, ist es möglich, Zellen sowohl mit hohen Drücken (1-10 atm) als auch mit niedrigen Drücken zu polarisieren.