Bombeo Óptico de Intercambio de Espín (SEOP)
Al utilizar el método de bombeo óptico de intercambio de espín (SEOP), la polarización del gas 3He implica tres pasos. En el interior de la celda de vidrio se encuentran ~100 mg de Rubidio (Rb) y Potasio (K). La célula puede presurizarse hasta 3 atm, dependiendo del uso del instrumento. La mayor parte del gas es 3He mientras que sólo un pequeño volumen (0,06-0,13 atm) es N2. Se mantiene un campo magnético uniforme alrededor de la célula para mantener la polarización.
El primer paso es la polarización del Rubidio (Rb) en la fase de vapor. Arriba se muestra un sencillo diagrama de estado del electrón de valencia del Rb no apareado. Utilizando un conjunto de láseres de diodos infrarrojos de alta potencia (\(\lambda\) = 795 nm, específico para el espectro del Rb), el momento angular de la luz polarizada circularmente a la derecha pasa de los fotones a los electrones de valencia del Rb. Los fotones, que tienen un momento magnético de espín ms = +1, son absorbidos por los átomos de Rb. Bajo la conservación del momento angular, los electrones excitados siguen la regla de selección \(\Delta\)mj= +1. La única transición permitida es de un estado mj = -½ a un estado mj = +½, ya que los electrones son partículas de espín-½. Los electrones se excitan desde el estado básico 5s½, orbital mj = -½, al estado excitado 5p½, mj = +½. Los electrones excitados se distribuyen uniformemente entre los estados de espín +½ y -½ del orbital 5p mediante la mezcla colisional. Desde el estado de excitación, los electrones decaen radiactivamente de vuelta al orbital 5s½, un proceso conocido como desexcitación colisional, en el que la mitad decae al estado mj = +½ y la otra mitad decae al estado mj = -½. Los electrones en el estado mj = +½ permanecen en ese estado por dos razones. Las reglas de selección impiden otra transición en la que \(\Delta\)mj= +1. Además, el gas N2 prohíbe que las emisiones de fotones radiativos con mj= -1 exciten a los electrones en el estado básico mj = +½ al estado excitado mj = -½. El N2 tiene una gran sección transversal de absorción de apagado con la capacidad de transferir la energía emitida desde el Rb a su propio movimiento vibracional y rotacional. En su lugar, la luz del láser vuelve a excitar a los electrones que decaen al estado básico mj = -½. Este proceso, conocido como bombeo de despoblación, elimina los electrones del estado mj = -½ para llenar el estado mj = +½, polarizando el Rb. El segundo paso es la polarización del Potasio (K). Este proceso se produce mediante colisiones de intercambio de espín de los átomos de Rb con los de K. En el caso del K, los electrones de valencia son excitados desde el estado básico 4s½, mj = -½ orbital, al estado excitado 4p½, mj = +½. Esta interacción transfiere la polarización del Rb al K.
El paso final es la polarización del núcleo del 3He tanto por el K como por el Rb mediante la interacción hiperfina. Aunque, tanto los átomos de Rb como los de K colisionan con los átomos de 3He, el proceso de intercambio de espín es más eficiente para la colisión K-3He que para las colisiones Rb-3He (esquema anterior). Para que se produzca el intercambio de espín, los electrones de valencia no apareados deben penetrar en la nube de electrones del 3He y colisionar con el núcleo. Con el tiempo, el gas 3He se polariza. Debido a la baja probabilidad de intercambio de espín, el proceso de polarización del 3He es muy lento. El tiempo de polarización completa o «tiempo de bombeo» puede ser del orden de 1-2 días. El tiempo de bombeo viene determinado por una serie de factores y varía de una célula a otra. Aunque el proceso SEOP es lento, es posible polarizar celdas con presiones altas (1-10 atm) así como bajas.