Spin Exchange Optical Pumping (SEOP)
Med hjälp av SEOP-metoden (Spin Exchange Optical Pumping) sker polariseringen av 3He-gasen i tre steg. Inkluderat inuti glascellen finns ~100 mg rubidium (Rb) och kalium (K). Cellen kan tryckas upp till 3 atm beroende på hur instrumentet används. Det mesta av gasen är 3He medan endast en liten volym (0,06-0,13 atm) är N2. Ett enhetligt magnetfält upprätthålls runt cellen för att upprätthålla polariseringen.
Det första steget är polariseringen av Rubidium (Rb) i ångfasen. Ett enkelt elektrontillståndsdiagram för den oparade Rb-valenselektronen visas ovan. Med hjälp av en infraröd diodlasermatris med hög effekt (\(\lambda\) = 795 nm, specifik för Rb-spektrumet) överförs vinkelmomentet från högercirkulärt polariserat ljus från fotoner till Rb-valenselektroner. Fotoner, som har ett magnetiskt spinnmoment ms = +1, absorberas av Rb-atomerna. Under bevarandet av vinkelmomentet följer de exciterade elektronerna urvalsregeln \(\Delta\)mj= +1. Den enda tillåtna övergången är från ett mj = -½-tillstånd till ett mj = +½-tillstånd, eftersom elektroner är spinn-½-partiklar. Elektronerna exciteras från grundtillståndet 5s½, mj = -½, till det exciterade tillståndet 5p½, mj = +½. De exciterade elektronerna fördelas jämnt mellan spinntillstånden +½ och -½ i 5p-orbitalet genom kollisionsblandning. Från det exciterade tillståndet sönderfaller elektronerna radiativt tillbaka till 5s½-orbitalet, en process som kallas kollisionell de-excitering, där hälften sönderfaller till mj = +½-tillståndet och hälften sönderfaller till mj = -½-tillståndet. Elektroner i mj = +½-tillståndet förblir i detta tillstånd av två skäl. Urvalsreglerna förhindrar en annan övergång där \(\Delta\)mj= +1. Dessutom förbjuder N2-gasen strålande fotonemissioner med mj= -1 från att excitera elektroner i grundtillståndet mj = +½ till det exciterade tillståndet mj = -½. N2 har ett stort släckande absorptionstvärsnitt med förmåga att överföra den energi som avges från Rb till sin egen vibrations- och rotationsrörelse. Istället återexciterar laserljuset elektroner som sönderfaller till grundtillståndet mj = -½. Denna process, som kallas depopulationspumpning, tar bort elektroner från mj = -½-tillståndet för att fylla mj = +½-tillståndet, vilket polariserar Rb. Det andra steget är polariseringen av kalium (K). Denna process sker genom spinnutbyteskollisioner mellan Rb-atomer och K-atomer. I K:s fall exciteras valenceelektroner från grundtillståndet 4s½, mj = -½, till det exciterade tillståndet 4p½, mj = +½. Denna växelverkan överför Rb-polarisering till K.
Det sista steget är polariseringen av 3He-kärnan av både K och Rb genom hyperfin växelverkan. Även om både Rb- och K-atomer kolliderar med 3He-atomerna är spinbytesprocessen effektivare för K-3He-kollisioner än för Rb-3He-kollisioner (schematisk bild ovan). För att spinnutbytet ska kunna ske måste oparade valenselektroner tränga igenom 3He-elektronmolnet och kollidera med kärnan. Med tiden blir 3He-gasen polariserad. På grund av den låga sannolikheten för spinutbyte är 3He-polariseringsprocessen mycket långsam. Den fullständiga polarisationstiden eller ”uppumpningstiden” kan vara i storleksordningen 1-2 dagar. Uppumpningstiden bestäms av ett antal faktorer och varierar från cell till cell. Även om SEOP-processen är långsam är det möjligt att polarisera celler med höga tryck (1-10 atm) såväl som med låga
.