Spin Exchange Optical Pumping (SEOP)
Używając metody spin exchange optical pumping (SEOP), polaryzacja gazu 3He obejmuje trzy etapy. Wewnątrz szklanej celi znajduje się ~100 mg rubidu (Rb) i potasu (K). Cela może być pod ciśnieniem do 3 atm w zależności od zastosowania przyrządu. Większość gazu to 3He, podczas gdy tylko niewielka objętość (0.06-0.13 atm) to N2. Jednolite pole magnetyczne jest utrzymywane wokół celi w celu podtrzymania polaryzacji.
Pierwszym krokiem jest polaryzacja Rubidu (Rb) w fazie parowej. Prosty diagram stanu elektronowego dla niesparowanego elektronu walencyjnego Rb jest pokazany powyżej. Używając podczerwonego lasera diodowego o dużej mocy (długość fali = 795 nm, właściwa dla widma Rb), moment pędu z prawoskrętnie spolaryzowanego światła jest przekazywany z fotonów na elektrony walencyjne Rb. Fotony, które mają spinowy moment magnetyczny ms = +1, są absorbowane przez atomy Rb. Zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu, wzbudzone elektrony postępują zgodnie z regułą selekcji: mj= +1. Jedynym dozwolonym przejściem jest przejście ze stanu mj = -½ do stanu mj = +½, ponieważ elektrony są cząstkami o spinie ½. Elektrony są wzbudzane ze stanu podstawowego 5s½, orbital mj = -½, do stanu wzbudzonego 5p½, mj = +½. Wzbudzone elektrony są równomiernie rozmieszczone pomiędzy stanami spinowymi +½ i -½ orbitalu 5p poprzez mieszanie zderzeniowe. Ze stanu wzbudzonego elektrony rozpadają się radiacyjnie z powrotem do orbitalu 5s½, w procesie znanym jako zderzeniowa deekscytacja, przy czym połowa rozpada się do stanu mj = +½, a połowa do stanu mj = -½. Elektrony w stanie mj = +½ pozostają w tym stanie z dwóch powodów. Reguły selekcji uniemożliwiają kolejne przejście, w którym ∗ delta ∗ mj= +1. Dodatkowo, gaz N2 uniemożliwia emisję fotonów o mj= -1 z wzbudzenia elektronów w stanie podstawowym mj = +½ do stanu wzbudzonego mj = -½. N2 ma duży tłumiący przekrój absorpcyjny ze zdolnością do przenoszenia energii emitowanej z Rb we własne ruchy wibracyjne i rotacyjne. Zamiast tego, światło lasera ponownie wzbudza elektrony, które rozpadają się do stanu podstawowego mj = -½. Proces ten, znany jako pompowanie depopulacyjne, usuwa elektrony ze stanu mj = -½ w celu wypełnienia stanu mj = +½, polaryzując Rb. Drugim etapem jest polaryzacja potasu (K). Proces ten zachodzi poprzez zderzenia spinowo-wymienne atomów Rb z atomami K. W przypadku K elektrony walencyjne są wzbudzane ze stanu podstawowego 4s½, mj = -½ orbitalu, do stanu wzbudzonego 4p½, mj = +½. Oddziaływanie to przenosi polaryzację Rb na K.
Ostatnim etapem jest polaryzacja jądra 3He zarówno przez K jak i Rb poprzez oddziaływania nadsubtelne. Chociaż zarówno atomy Rb jak i K zderzają się z atomami 3He, to proces wymiany spinowej jest bardziej wydajny w przypadku zderzeń K-3He niż Rb-3He (schemat powyżej). Aby nastąpiła wymiana spinowa, niesparowane elektrony walencyjne muszą przeniknąć przez chmurę elektronową 3He i zderzyć się z jądrem. Z czasem gaz 3He ulega polaryzacji. Ze względu na małe prawdopodobieństwo wymiany spinowej, proces polaryzacji 3He jest bardzo powolny. Czas pełnej polaryzacji lub „pump-up time” może być rzędu 1-2 dni. Czas pompowania jest zależny od wielu czynników i różni się w poszczególnych komorach. Chociaż proces SEOP jest powolny, możliwe jest spolaryzowanie komórek zarówno przy wysokich ciśnieniach (1-10 atm), jak i niskich.
.