Pompage optique par échange de spin (SEOP)
En utilisant la méthode de pompage optique par échange de spin (SEOP), la polarisation du gaz 3He implique trois étapes. Enfermés à l’intérieur de la cellule de verre se trouvent ~100 mg de Rubidium (Rb) et de Potassium (K). La cellule peut être pressurisée jusqu’à 3 atm selon l’utilisation de l’instrument. La plus grande partie du gaz est du 3He tandis que seul un petit volume (0,06-0,13 atm) est du N2. Un champ magnétique uniforme est maintenu autour de la cellule afin de soutenir la polarisation.
La première étape est la polarisation du Rubidium (Rb) en phase vapeur. Un simple diagramme d’état électronique pour l’électron de valence non apparié de Rb est présenté ci-dessus. À l’aide d’un réseau de diodes laser infrarouges de haute puissance (\(\lambda\) = 795 nm, spécifique au spectre du Rb), le moment angulaire de la lumière polarisée circulairement à droite passe des photons aux électrons de valence du Rb. Les photons, qui ont un moment magnétique de spin ms = +1, sont absorbés par les atomes de Rb. Sous l’effet de la conservation du moment cinétique, les électrons excités suivent la règle de sélection : \(\Delta\)mj= +1. La seule transition autorisée est celle d’un état mj = -½ à un état mj = +½, puisque les électrons sont des particules de spin-½. Les électrons sont excités de l’état fondamental 5s½, orbitale mj = -½, à l’état excité 5p½, mj = +½. Les électrons excités sont répartis uniformément entre les états de spin +½ et -½ de l’orbitale 5p par mélange collisionnel. À partir de l’état excité, les électrons se désintègrent radiativement vers l’orbitale 5s½, un processus connu sous le nom de désexcitation collisionnelle, la moitié se désintègrant vers l’état mj = +½ et l’autre moitié se désintègrant vers l’état mj = -½. Les électrons dans l’état mj = +½ restent dans cet état pour deux raisons. Les règles de sélection empêchent une autre transition où \(\Delta\)mj= +1. De plus, le gaz N2 interdit les émissions radiatives de photons avec mj= -1 pour exciter les électrons dans l’état fondamental mj = +½ vers l’état excité mj = -½. N2 a une grande section d’absorption d’extinction avec la capacité de transférer l’énergie émise par Rb dans son propre mouvement vibratoire et rotationnel. Au lieu de cela, la lumière laser réexcite les électrons qui se désintègrent dans l’état fondamental mj = -½. Ce processus, connu sous le nom de pompage de dépeuplement, retire les électrons de l’état mj = -½ afin de remplir l’état mj = +½, polarisant ainsi le Rb. La deuxième étape est la polarisation du potassium (K). Ce processus se produit par des collisions d’échange de spin entre des atomes de Rb et des atomes de K. Dans le cas du K, les électrons de valence sont excités de l’état fondamental 4s½, mj = -½ orbitale, à l’état excité 4p½, mj = +½. Cette interaction transfère la polarisation de Rb au K.
L’étape finale est la polarisation du noyau de 3He par K et Rb par interaction hyperfine. Bien que les atomes de Rb et de K entrent en collision avec les atomes de 3He, le processus d’échange de spin est plus efficace pour la collision K-3He que pour les collisions Rb-3He (schéma ci-dessus). Pour que l’échange de spin ait lieu, les électrons de valence non appariés doivent pénétrer dans le nuage électronique de 3He et entrer en collision avec le noyau. Au fil du temps, le gaz 3He se polarise. En raison de la faible probabilité d’échange de spin, le processus de polarisation du 3He est très lent. Le temps de polarisation complet ou « temps de pompage » peut être de l’ordre de 1 à 2 jours. Le temps de pompage est déterminé par un certain nombre de facteurs et varie d’une cellule à l’autre. Bien que le processus SEOP soit lent, il est possible de polariser des cellules avec des pressions élevées (1-10 atm) aussi bien qu’avec des pressions faibles.