Spin Exchange Optical Pumping (SEOP)
Met de spin exchange optical pumping (SEOP)-methode wordt het 3He-gas in drie stappen gepolariseerd. In de glazen cel bevindt zich ~100 mg Rubidium (Rb) en Kalium (K). De cel kan onder druk worden gebracht tot 3 atm, afhankelijk van het gebruik van het instrument. Het grootste deel van het gas is 3He, terwijl slechts een klein volume (0,06-0,13 atm) N2 is. Een uniform magnetisch veld wordt rond de cel gehandhaafd om de polarisatie te ondersteunen.
De eerste stap is de polarisatie van Rubidium (Rb) in de dampfase. Een eenvoudig elektronentoestandsdiagram voor het ongepaarde valentie-elektron van Rb is hierboven afgebeeld. Met behulp van een infrarode diodelaser met een hoog vermogen (795 nm, specifiek voor het Rb-spectrum) wordt het impulsmoment van rechts-cirkelvormig gepolariseerd licht doorgegeven van fotonen naar valentie-elektronen van Rb. Fotonen, die een spin magnetisch moment ms = +1 hebben, worden door de Rb-atomen geabsorbeerd. Onder behoud van impulsmoment volgen aangeslagen elektronen de selectieregel mj= +1. De enige toegestane overgang is van een mj = -½ toestand naar een mj = +½ toestand, aangezien elektronen spin-½ deeltjes zijn. De elektronen worden aangeslagen van de grondtoestand 5s½, mj = -½ orbitaal, naar de aangeslagen toestand 5p½, mj = +½. De aangeslagen elektronen worden gelijkmatig verdeeld tussen de spin +½ en -½ toestanden van de 5p orbitaal door middel van botsingsmenging. Vanuit de aangeslagen toestand vervallen de elektronen stralend terug naar de 5s½ orbitaal, een proces dat bekend staat als collisionele de-excitatie, waarbij de helft vervalt naar de mj = +½ toestand en de helft vervalt naar de mj = -½ toestand. Elektronen in de mj = +½ toestand blijven in die toestand om twee redenen. De selectieregels voorkomen een andere overgang waarbij mj = +1. Bovendien verbiedt het N2-gas radiatieve fotonemissies met mj= -1 om elektronen in de grondtoestand mj = +½ op te wekken tot de aangeslagen toestand mj = -½. N2 heeft een grote dovende absorptie doorsnede met de mogelijkheid om de door Rb uitgezonden energie over te brengen in zijn eigen vibratie- en rotatiebeweging. In plaats daarvan wekt het laserlicht opnieuw elektronen op die vervallen tot de mj = -½ grondtoestand. Dit proces, bekend als depopulatie-pomping, verwijdert elektronen uit de mj = -½ toestand om de mj = +½ toestand te vullen, waardoor Rb wordt gepolariseerd. De tweede stap is de polarisatie van het kalium (K). Dit proces vindt plaats door spin-uitwisseling van botsingen van Rb atomen met K atomen. In het geval van K worden valentie-elektronen geëxciteerd van de grondtoestand 4s½, mj = -½ orbitaal, naar de aangeslagen toestand 4p½, mj = +½. Deze interactie draagt de polarisatie van Rb over op K.
De laatste stap is de polarisatie van de 3He-kern door zowel K als Rb door hyperfijne interactie. Hoewel zowel Rb- als K-atomen met de 3He-atomen botsen, is het spin-uitwisselingsproces efficiënter voor K-3He-botsingen dan voor Rb-3He-botsingen (zie bovenstaand schema). Om spin-uitwisseling mogelijk te maken, moeten ongepaarde valentie-elektronen de 3He-elektronenwolk binnendringen en met de kern botsen. Na verloop van tijd wordt het 3He-gas gepolariseerd. Door de lage waarschijnlijkheid van spin-uitwisseling verloopt het polarisatieproces van 3He zeer langzaam. De volledige polarisatietijd of “oppomptijd” kan in de orde van 1-2 dagen zijn. De “pump-up” tijd wordt door een aantal factoren bepaald en varieert van cel tot cel. Hoewel het SEOP-proces traag is, is het mogelijk cellen te polariseren met zowel hoge (1-10 atm) als lage drukken.