Pompaggio ottico a scambio di spin (SEOP)
Con il metodo di pompaggio ottico a scambio di spin (SEOP), la polarizzazione del gas 3He comporta tre fasi. All’interno della cella di vetro sono racchiusi ~100 mg di Rubidio (Rb) e Potassio (K). La cella può essere pressurizzata fino a 3 atm a seconda dell’uso dello strumento. La maggior parte del gas è 3He mentre solo un piccolo volume (0.06-0.13 atm) è N2. Un campo magnetico uniforme è mantenuto intorno alla cella per sostenere la polarizzazione.
Il primo passo è la polarizzazione del Rubidio (Rb) in fase di vapore. Un semplice diagramma di stato elettronico per l’elettrone di valenza non accoppiato del Rb è mostrato sopra. Usando un array di diodi laser infrarossi ad alta potenza (\(\lambda\) = 795 nm, specifico per lo spettro del Rb), il momento angolare dalla luce polarizzata circolarmente destra viene passato dai fotoni agli elettroni di valenza del Rb. I fotoni, che hanno un momento magnetico di spin ms = +1, sono assorbiti dagli atomi di Rb. Sotto la conservazione del momento angolare, gli elettroni eccitati seguono la regola di selezione \(\Delta\)mj= +1. L’unica transizione permessa è da uno stato mj = -½ a uno stato mj = +½, poiché gli elettroni sono particelle di spin-½. Gli elettroni sono eccitati dallo stato fondamentale 5s½, orbitale mj = -½, allo stato eccitato 5p½, mj = +½. Gli elettroni eccitati sono uniformemente distribuiti tra gli stati di spin +½ e -½ dell’orbitale 5p attraverso la miscelazione collisionale. Dallo stato eccitato, gli elettroni decadono radiativamente di nuovo all’orbitale 5s½, un processo noto come de-eccitazione collisionale, con metà che decade allo stato mj = +½ e metà che decade allo stato mj = -½. Gli elettroni nello stato mj = +½ rimangono in quello stato per due motivi. Le regole di selezione impediscono un’altra transizione in cui \(\Delta\)mj= +1. Inoltre, il gas N2 proibisce l’emissione di fotoni radiativi con mj= -1 dall’eccitare gli elettroni nello stato fondamentale mj = +½ allo stato eccitato mj = -½. N2 ha una grande sezione trasversale di assorbimento di quenching con la capacità di trasferire l’energia emessa da Rb nel proprio moto vibrazionale e rotazionale. Invece, la luce laser ri-eccita gli elettroni che decadono allo stato fondamentale mj = -½. Questo processo, noto come pompaggio di depopolamento, rimuove gli elettroni dallo stato mj = -½ per riempire lo stato mj = +½, polarizzando il Rb. Il secondo passo è la polarizzazione del potassio (K). Questo processo avviene attraverso collisioni di scambio di spin degli atomi di Rb con gli atomi di K. Nel caso di K, gli elettroni di valenza sono eccitati dallo stato fondamentale 4s½, orbitale mj = -½, allo stato eccitato 4p½, mj = +½. Questa interazione trasferisce la polarizzazione di Rb al K.
Il passo finale è la polarizzazione del nucleo di 3He sia da parte di K che di Rb attraverso l’interazione iperfine. Anche se entrambi gli atomi di Rb e K collidono con gli atomi di 3He, il processo di scambio di spin è più efficiente per le collisioni K-3He che per quelle Rb-3He (schema sopra). Affinché lo scambio di spin avvenga, gli elettroni di valenza spaiati devono penetrare nella nuvola di elettroni del 3He e collidere con il nucleo. Col tempo, il gas 3He diventa polarizzato. A causa della bassa probabilità di scambio di spin, il processo di polarizzazione del 3He è molto lento. Il tempo di polarizzazione completa o “tempo di pompaggio” può essere dell’ordine di 1-2 giorni. Il tempo di pompaggio è determinato da una serie di fattori e varia da cella a cella. Anche se il processo SEOP è lento, è possibile polarizzare le celle con pressioni elevate (1-10 atm) e basse.