Spininvaihto-optinen pumppaus (SEOP)
Spiininvaihto-optisella pumppausmenetelmällä (spin exchange optical pumping, SEOP) 3He-kaasun polarisaatio tapahtuu kolmessa vaiheessa. Lasikennon sisällä on ~100 mg rubidiumia (Rb) ja kaliumia (K). Kenno voidaan paineistaa 3 atm:iin asti laitteen käytöstä riippuen. Suurin osa kaasusta on 3He:tä ja vain pieni osa (0,06-0,13 atm) N2:ta. Polarisoinnin ylläpitämiseksi kennon ympärillä pidetään yllä tasaista magneettikenttää.
Aluksi höyryfaasissa oleva rubidium (Rb) polarisoidaan. Yllä on esitetty yksinkertainen elektronitilakaavio parittomalle Rb:n valenssielektronille. Käyttämällä suuritehoista infrapunaista diodilaserjoukkoa (\(\lambda\) = 795 nm, spesifinen Rb:n spektrille), oikealle ympyräpolarisoidun valon kulmavoima siirretään fotoneista Rb:n valenssielektroneihin. Rb-atomit absorboivat fotoneja, joiden spin-magneettinen momentti ms = +1. Kulmamomentin säilymisen perusteella innostuneet elektronit noudattavat valintasääntöä \(\Delta\)mj= +1. Ainoa sallittu siirtymä on mj = -½ -tilasta mj = +½ -tilaan, koska elektronit ovat spin-½ -hiukkasia. Elektronit virittyvät perustilasta 5s½, mj = -½-orbitaalista, virittyneeseen tilaan 5p½, mj = +½. Jännittyneet elektronit jakautuvat tasaisesti 5p-orbitaalin spin +½- ja -½-tilojen välillä törmäyssekoittumisen kautta. Jännittyneestä tilasta elektronit hajoavat säteilevästi takaisin 5s½-orbitaaliin, mikä on prosessi, jota kutsutaan yhteentörmäyspoistoksi, ja puolet niistä hajoaa mj = +½ -tilaan ja puolet mj = -½ -tilaan. Elektronit, jotka ovat mj = +½ -tilassa, pysyvät siinä tilassa kahdesta syystä. Valintasäännöt estävät toisen siirtymän, jossa \(\Delta\)mj= +1. Lisäksi N2-kaasu estää säteileviä fotoniemissioita, joiden mj= -1, kiihdyttämästä mj = +½-perustilassa olevia elektroneja mj = -½-herätystilaan. N2:lla on suuri vaimentava absorptioristipoikkileikkaus, jolla on kyky siirtää Rb:stä emittoitunut energia omaan värähtely- ja pyörimisliikkeeseensä. Sen sijaan laservalo herättää uudelleen elektroneja, jotka hajoavat mj = -½ perustilaan. Tämä depopulaatiopumppaukseksi kutsuttu prosessi poistaa elektroneja mj = -½ -tilasta täyttääkseen mj = +½ -tilan, jolloin Rb polarisoituu. Toinen vaihe on kaliumin (K) polarisaatio. Tämä prosessi tapahtuu Rb-atomien ja K-atomien spin-vaihtotörmäyksissä. K:n tapauksessa valenssielektronit virittyvät perustilasta 4s½, mj = -½ -orbitaalista virittyneeseen tilaan 4p½, mj = +½. Tämä vuorovaikutus siirtää Rb:n polarisaation K:hon.
Viimeisessä vaiheessa 3He:n ydin polarisoituu sekä K:lla että Rb:llä hyperfiini-vuorovaikutuksen kautta. Vaikka sekä Rb- että K-atomit törmäävät 3He-atomien kanssa, spininvaihtoprosessi on tehokkaampi K-3He-törmäyksessä kuin Rb-3He-törmäyksessä (kaavio yllä). Jotta spininvaihto tapahtuisi, parittomien valenssielektronien on läpäistävä 3He:n elektronipilvi ja törmättävä ytimeen. Ajan myötä 3He-kaasu polarisoituu. Koska spininvaihdon todennäköisyys on pieni, 3He:n polarisaatioprosessi on hyvin hidas. Täydellinen polarisaatioaika tai ”pumppausaika” voi olla 1-2 päivän luokkaa. Pump-up-aika määräytyy useiden tekijöiden perusteella, ja se vaihtelee kennokohtaisesti. Vaikka SEOP-prosessi on hidas, on mahdollista polarisoida kennoja sekä korkeilla (1-10 atm) että matalilla paineilla.