Spincsere optikai pumpálás (SEOP)
A spincsere optikai pumpálás (SEOP) módszerével a 3He gáz polarizálása három lépésből áll. Az üvegcellába zárva ~100 mg rubídium (Rb) és kálium (K) van. A cella a műszer használatától függően akár 3 atm nyomás alá is helyezhető. A gáz nagy része 3He, míg csak egy kis mennyiség (0,06-0,13 atm) N2. A polarizáció fenntartása érdekében a cella körül egyenletes mágneses mezőt tartanak fenn.
A gőzfázisban lévő rubídium (Rb) polarizációja az első lépés. A párosítatlan Rb-valenciaelektron egyszerű elektronállapot-diagramja a fenti ábrán látható. Egy nagy teljesítményű infravörös dióda lézercsoport (\(\lambda\) = 795 nm, az Rb spektrumára jellemző) használatával a jobbra körkörösen polarizált fényből származó szögimpulzus a fotonokról az Rb-valenciaelektronokra kerül. Az ms = +1 spin-mágneses momentummal rendelkező fotonokat az Rb-atomok elnyelik. A szögimpulzus megőrzése alapján a gerjesztett elektronok a \(\Delta\)mj= +1 szelekciós szabályt követik. Az egyetlen megengedett átmenet az mj = -½ állapotból az mj = +½ állapotba való átmenet, mivel az elektronok spin-½ részecskék. Az elektronok az alapállapotból 5s½, mj = -½ orbitálisból a gerjesztett 5p½, mj = +½ állapotba gerjesztődnek. A gerjesztett elektronok ütközéses keveredés révén egyenletesen oszlanak el az 5p orbitális +½ és -½ spinű állapota között. A gerjesztett állapotból az elektronok sugárzás útján bomlanak vissza az 5s½ orbitálisba, ezt a folyamatot ütközéses dezgerjesztésnek nevezik, és az elektronok fele az mj = +½ állapotba, fele pedig az mj = -½ állapotba bomlik. Az mj = +½ állapotban lévő elektronok két okból maradnak ebben az állapotban. A szelekciós szabályok megakadályozzák az újabb átmenetet, ahol \(\Delta\)mj= +1. Ezenkívül az N2 gáz megakadályozza, hogy az mj = +½ alapállapotban lévő elektronokat mj = -½ gerjesztett állapotba gerjesztő mj = -½ fotonok sugárzása mj= -1 legyen. Az N2 nagy csillapító abszorpciós keresztmetszettel rendelkezik, amely képes az Rb-ból kibocsátott energiát saját rezgési és forgási mozgásba átvinni. Ehelyett a lézerfény újra gerjeszti az elektronokat, amelyek az mj = -½ alapállapotba bomlanak. Ez a depopulációs pumpálásnak nevezett folyamat elektronokat távolít el az mj = -½ állapotból, hogy feltöltse az mj = +½ állapotot, polarizálva ezzel az Rb-et. A második lépés a kálium (K) polarizációja. Ez a folyamat az Rb atomok K atomokkal való spincsere-ütközései révén történik. A K esetében a valenciaelektronok a 4s½, mj = -½ alapállapotú orbitálisból a 4p½, mj = +½ gerjesztett állapotba gerjesztődnek. Ez a kölcsönhatás átviszi az Rb-polarizációt a K-ra.
A végső lépés a 3He atommagjának polarizációja mind a K, mind az Rb által hiperfinom kölcsönhatás révén. Bár mind az Rb, mind a K atomok ütköznek a 3He atomokkal, a K-3He ütközésnél a spincsere-folyamat hatékonyabb, mint az Rb-3He ütközésnél (fenti ábra). A spincsere lejátszódásához a párosítatlan valenciaelektronoknak be kell hatolniuk a 3He elektronfelhőbe, és ütközniük kell az atommaggal. Idővel a 3He gáz polarizálódik. A spincsere alacsony valószínűsége miatt a 3He polarizációs folyamata nagyon lassú. A teljes polarizáció ideje vagy “felpumpálási idő” 1-2 napos nagyságrendű lehet. A felpumpálási időt számos tényező határozza meg, és cellánként változik. Bár a SEOP folyamat lassú, lehetséges a cellák polarizálása magas (1-10 atm) és alacsony nyomáson is.