Bomba Óptica de Troca de Pinos (SEOP)
Utilizando o método de bombeamento óptico de troca de pinos (SEOP), a polarização do gás 3He envolve três passos. O interior da célula de vidro é fechado com ~100 mg de Rubídio (Rb) e Potássio (K). A célula pode ser pressurizada até 3 atm, dependendo do uso do instrumento. A maior parte do gás é 3He enquanto apenas um pequeno volume (0,06-0,13 atm) é N2. Um campo magnético uniforme é mantido ao redor da célula a fim de sustentar a polarização.
O primeiro passo é a polarização do Rubidium (Rb) na fase de vapor. Um simples diagrama de estado do elétron para o elétron de valência de Rb não pareado é mostrado acima. Usando uma matriz de laser de diodo infravermelho de alta potência (\lambda) = 795 nm, específica para o espectro Rb), o momento angular da luz polarizada circular direita é passado de fótons para os elétrons de valência Rb. Os fótons, que têm um momento magnético de spin ms = +1, são absorvidos pelos átomos Rb. Sob a conservação do momento angular, os elétrons excitados seguem a regra de seleção {(Delta)mj= +1. A única transição permitida é de um estado mj = -½ para um estado mj = +½, uma vez que os electrões são partículas spin-½. Os electrões são excitados do estado de terra 5s½, mj = -½ orbital, para o estado excitado 5p½, mj = +½. Os elétrons excitados são distribuídos uniformemente entre os estados de spin +½ e -½ do orbital 5p através da mistura de colisão. Do estado excitado, os elétrons decaem radicalmente de volta ao orbital 5s½, um processo conhecido como desexcitação por colisão, com metade da decadência para o estado mj = +½ e metade da decadência para o estado mj = -½. Os elétrons no estado mj = +½ permanecem nesse estado por duas razões. As regras de seleção impedem outra transição onde {\i1}(Delta})mj= +1. Além disso, o gás N2 proíbe as emissões de fótons radiativos com mj= -1 de elétrons excitantes no mj = +½ estado de terra para o mj = -½ estado excitado. O N2 tem uma grande secção transversal de absorção de têmpera com a capacidade de transferir a energia emitida pelo Rb para o seu próprio movimento vibracional e rotacional. Em vez disso, a luz laser reexcita electrões que se decompõem para o estado de terra mj = -½. Este processo, conhecido como bombeamento de despovoamento, remove electrões do estado mj = -½ para preencher o estado mj = +½, polarizando o Rb. A segunda etapa é a polarização do Potássio (K). Este processo ocorre através de colisões de troca de spin de átomos de Rb com átomos de K. No caso de K, os elétrons de valência são excitados do estado de terra 4s½, mj = -½ orbital, para o estado excitado 4p½, mj = +½. Esta interação transfere a polarização de Rb para K.
O passo final é a polarização do núcleo 3He por K e Rb através da interação hiperfina. Embora ambos os átomos Rb e K colidam com os átomos 3He, o processo de troca de spin é mais eficiente para a colisão K-3He do que para as colisões Rb-3He (esquema acima). Para que a troca de spin-exchange ocorra, elétrons de valência não pareados devem penetrar a nuvem de elétrons 3He e colidir com o núcleo. Com o tempo, o gás 3He torna-se polarizado. Devido à baixa probabilidade de troca de spin-exchange, o processo de polarização da 3He é muito lento. O tempo total de polarização ou “pump-up time” pode ser na ordem de 1-2 dias. O tempo de bombeamento é determinado por uma série de fatores e varia de célula para célula. Embora o processo SEOP seja lento, é possível polarizar células com pressões altas (1-10 atm), bem como baixas.