Pompare optică prin schimb de spin (SEOP)
Utilizând metoda de pompare optică prin schimb de spin (SEOP), polarizarea gazului 3He implică trei etape. În interiorul celulei de sticlă sunt închise ~100 mg de rubidiu (Rb) și potasiu (K). Celula poate fi presurizată până la 3 atm, în funcție de utilizarea instrumentului. Cea mai mare parte a gazului este 3He, în timp ce doar un volum mic (0,06-0,13 atm) este N2. Un câmp magnetic uniform este menținut în jurul celulei pentru a susține polarizarea.
Prima etapă este polarizarea rubidiului (Rb) în faza de vapori. O diagramă simplă a stării electronice pentru electronul de valență neîmperecheat al Rb este prezentată mai sus. Utilizând o matrice laser cu diode în infraroșu de mare putere (\(\lambda\) = 795 nm, specifică spectrului Rb), momentul unghiular din lumina polarizată circular dreapta este trecut de la fotoni la electronii de valență ai Rb. Fotonii, care au un moment magnetic de spin ms = +1, sunt absorbiți de atomii de Rb. În condițiile conservării momentului unghiular, electronii excitați urmează regula de selecție \(\Delta\)mj= +1. Singura tranziție permisă este de la o stare mj = -½ la o stare mj = +½, deoarece electronii sunt particule cu spin ½. Electronii sunt excitați din starea fundamentală 5s½, orbital mj = -½, în starea excitată 5p½, mj = +½. Electronii excitați sunt distribuiți în mod egal între stările de spin +½ și -½ ale orbitalului 5p prin amestecare coliziunii. Din starea excitată, electronii se dezintegrează prin radiație înapoi în orbitalul 5s½, un proces cunoscut sub numele de de-excitație prin coliziune, jumătate dintre ei dezintegrându-se în starea mj = +½ și jumătate în starea mj = -½. Electronii din starea mj = +½ rămân în această stare din două motive. Regulile de selecție împiedică o altă tranziție în care \(\Delta\)mj= +1. În plus, gazul N2 interzice emisiile radiative de fotoni cu mj= -1 de a excita electronii din starea fundamentală mj = +½ în starea excitată mj = -½. N2 are o secțiune transversală de absorbție de stingere mare, având capacitatea de a transfera energia emisă de Rb în propria sa mișcare de vibrație și rotație. În schimb, lumina laserului re-excita electronii care se dezintegrează în starea fundamentală mj = -½. Acest proces, cunoscut sub numele de pompare de depopulare, elimină electronii din starea mj = -½ pentru a umple starea mj = +½, polarizând Rb. Al doilea pas este polarizarea Potasiului (K). Acest proces are loc prin coliziuni de schimb de spin ale atomilor de Rb cu atomii de K. În cazul K, electronii de valență sunt excitați din starea fundamentală 4s½, orbitalul mj = -½, în starea excitată 4p½, mj = +½. Această interacțiune transferă polarizarea Rb către K.
Etapa finală este polarizarea nucleului de 3He atât de către K cât și de către Rb prin interacțiune hiperfină. Deși, atât atomii de Rb cât și cei de K se ciocnesc cu atomii de 3He, procesul de schimb de spin este mai eficient pentru coliziunea K-3He decât pentru coliziunile Rb-3He (schema de mai sus). Pentru ca schimbul de spin să aibă loc, electronii de valență nepereche trebuie să pătrundă în norul de electroni 3He și să intre în coliziune cu nucleul. În timp, gazul 3He devine polarizat. Din cauza probabilității scăzute de schimb de spin, procesul de polarizare a 3He este foarte lent. Timpul de polarizare completă sau „timpul de pompare” poate fi de ordinul a 1-2 zile. Timpul de pompare este determinat de o serie de factori și variază de la o celulă la alta. Deși, procesul SEOP este lent, este posibilă polarizarea celulelor cu presiuni ridicate (1-10 atm), precum și cu presiuni scăzute.
.