Nonlinear, four-wave mixing vibrational spectroscopies are commonly used to probe electron–vibration coupling in isotropic media. Most of these methods rely on infrared and/or Raman transitions, but methods involving hyper-Raman transitions are also possible. Hyper difference frequency generation (HDFG) spectroscopy is an underdeveloped four-wave mixing vibrational spectroscopy based upon both infrared absorption and hyper-Raman scattering transitions. Despite several experimental reports on HDFG, its spectroscopic properties have not been fully explored. To this end, we investigate the selection rules and behavior of HDFG spectroscopy as an upconverted infrared spectroscopy and as a probe of vibronic coupling in molecular systems. We discuss the similarities between HDFG, a four-wave mixing technique, and vibrational sum frequency generation (vSFG) spectroscopy, a three-wave mixing technique. vSFG and HDFG appear to provide similar output intensities, making HDFG feasible for vSFG practitioners. HDFG is shown to be a sensitive probe of vibronic coupling in bulk systems and provides an alternative method to investigate electronic-nuclear coordinate correlations.

2.
J. L.
Oudar
and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. A
22
,
1141
(
1980
).
3.
D. C.
Nguyen
and
J. C.
Wright
,
Chem. Phys. Lett.
117
,
224
(
1985
).
4.
J. C.
Wright
,
R. J.
Carlson
,
G. B.
Hurst
,
J. K.
Steehler
,
M. T.
Riebe
,
B. B.
Price
,
D. C.
Nguyen
, and
S. H.
Lee
,
Int. Rev. Phys. Chem.
10
,
349
(
1991
).
5.
J. D.
Gaynor
and
M.
Khalil
,
J. Chem. Phys.
147
,
094202
(
2017
).
6.
A.
Mandal
,
G.
Ng Pack
,
P. P.
Shah
,
S.
Erramilli
, and
L. D.
Ziegler
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
103401
(
2018
).
7.
Y.
Song
,
A.
Schubert
,
E.
Maret
,
R. K.
Burdick
,
B. D.
Dunietz
,
E.
Geva
, and
J. P.
Ogilvie
,
Chem. Sci.
10
,
8143
(
2019
).
8.
L.
Vietze
,
E. H. G.
Backus
,
M.
Bonn
, and
M.
Grechko
,
J. Chem. Phys.
154
,
174201
(
2021
).
9.
D. A.
Daniels
,
T. A.
Wells
, and
P. C.
Chen
,
J. Chem. Phys.
157
,
184201
(
2022
).
10.
P. C.
Chen
and
D. A.
Daniels
,
J. Phys. Chem. Lett.
15
,
1234
(
2024
).
11.
L.
Dhar
,
J. A.
Rogers
, and
K. A.
Nelson
,
Chem. Rev.
94
,
157
(
1994
).
12.
W.
Zhao
and
J. C.
Wright
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
1950
(
1999
).
14.
E. S.
Boyle
,
N. A.
Neff-Mallon
,
J. D.
Handali
, and
J. C.
Wright
,
J. Phys. Chem. A
118
,
3112
(
2014
).
15.
D.
Lee
and
A. C.
Albrecht
, “
A unified view of Raman, resonance Raman, and fluorescence spectroscopy (and their analogues in two-photon absorption)
,” in
Advances in Infrared and Raman Spectroscopies
, edited by
R.
Clark
and
R.
Hester
(
Wiley
,
New York
,
1985
), pp.
179
213
.
16.
R. W.
Terhune
,
P. D.
Maker
, and
C. M.
Savage
,
Phys. Rev. Lett.
14
,
681
(
1965
).
17.
S. J.
Cyvin
,
J. E.
Rauch
, and
J. C.
Decius
,
J. Chem. Phys.
43
,
4083
(
1965
).
18.
D. L.
Andrews
and
T.
Thirunamachandran
,
J. Chem. Phys.
68
,
2941
(
1978
).
19.
L. D.
Ziegler
,
J. Raman Spectrosc.
21
,
769
(
1990
).
20.
V.
Denisov
,
B.
Mavrin
,
V.
Podobedov
, and
K.
Sterin
,
Opt. Commun.
60
,
95
(
1986
).
21.
V.
Kozich
and
W.
Werncke
,
J. Raman Spectrosc.
38
,
1180
(
2007
).
23.
A.
Zilian
,
M. J.
LaBuda
,
J. P.
Hamilton
,
P. C.
Chen
, and
J. C.
Wright
,
J. Lumin.
60-61
,
655
(
1994
).
24.
J. P.
Hamilton
,
M. J.
LaBuda
, and
J. C.
Wright
,
Chem. Phys. Lett.
277
,
175
(
1997
).
25.
M. J.
LaBuda
and
J. C.
Wright
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
2446
(
1997
).
26.
M. J.
LaBuda
and
J. C.
Wright
,
J. Chem. Phys.
108
,
4112
(
1998
).
27.
M. J.
LaBuda
and
J. C.
Wright
,
Chem. Phys. Lett.
290
,
29
(
1998
).
28.
P. C.
Chen
,
J. P.
Hamilton
,
A.
Zillan
,
M. J.
LaBuda
, and
J. C.
Wright
,
Appl. Spectrosc.
52
,
380
(
1998
).
29.
K. M.
Murdoch
,
D. E.
Thompson
,
K. A.
Meyer
, and
J. C.
Wright
,
Appl. Spectrosc.
54
,
1495
(
2000
).
30.
D. E.
Thompson
and
J. C.
Wright
,
J. Phys. Chem. A
104
,
11282
(
2000
).
31.
A. M.
Hanninen
,
R. C.
Prince
,
R.
Ramos
,
M. V.
Plikus
, and
E. O.
Potma
,
Biomed. Opt. Express
9
,
4807
(
2018
).
32.
J.
Wang
,
K.
Wang
,
Y.
Shen
,
Z.
Han
,
F.
Li
,
Z.
He
,
D.-w.
Wang
,
A. V.
Sokolov
, and
M. O.
Scully
,
ACS Photonics
8
,
1137
(
2021
).
33.
P.
Seliya
,
M.
Bonn
, and
M.
Grechko
,
J. Chem. Phys.
160
,
034201
(
2024
).
34.
R. P.
McDonnell
,
K.
Oram
,
M. A.
Boyer
,
D. D.
Kohler
,
K. A.
Meyer
,
E. L.
Sibert
III
, and
J. C.
Wright
,
J. Phys. Chem. Lett.
15
,
3975
(
2024
).
35.
J. A.
Armstrong
,
N.
Bloembergen
,
J.
Ducuing
, and
P. S.
Pershan
,
Phys. Rev.
127
,
1918
(
1962
).
36.
J. E.
Ivanecky
III
and
J. C.
Wright
,
Chem. Phys. Lett.
206
,
437
(
1993
).
37.
M.
Cho
,
D. A.
Blank
,
J.
Sung
,
K.
Park
,
S.
Hahn
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
112
,
2082
(
2000
).
38.
J.-P.
Taran
, in
Laser Spectroscopy III
, edited by
J. L.
Hall
and
J. L.
Carlsten
(
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
1977
), pp.
315
324
.
40.
J. Ö.
Bjarnason
,
H. C.
Andersen
, and
B. S.
Hudson
,
J. Chem. Phys.
73
,
1827
(
1980
).
41.
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
106
,
7550
(
1997
).
42.
M.
Yang
,
J.
Kim
,
Y.
Jung
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
108
,
4013
(
1998
).
43.
B. P.
Molesky
,
P. G.
Giokas
,
Z. K.
Guo
, and
A. M.
Moran
,
J. Chem. Phys.
141
,
114202
(
2014
).
44.
45.
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
114
,
8040
(
2001
).
46.
T. A. A.
Oliver
,
N. H. C.
Lewis
, and
G. R.
Fleming
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
10061
(
2014
).
47.
T. L.
Courtney
,
Z. W.
Fox
,
L.
Estergreen
, and
M.
Khalil
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1286
(
2015
).
48.
T. L.
Courtney
,
Z. W.
Fox
,
K. M.
Slenkamp
, and
M.
Khalil
,
J. Chem. Phys.
143
,
154201
(
2015
).
49.
G.-H.
Deng
,
Y.
Qian
,
T.
Zhang
,
J.
Han
,
H.
Chen
, and
Y.
Rao
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
118
,
e2100608118
(
2021
).
50.
L. J. G. W.
van Wilderen
and
J.
Bredenbeck
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
11624
(
2015
).
51.
J. D.
Gaynor
,
A.
Petrone
,
X.
Li
, and
M.
Khalil
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
6289
(
2018
).
52.
E. A.
Arsenault
,
A. J.
Schile
,
D. T.
Limmer
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
155
,
096101
(
2021
).
53.
J. E.
Olson
,
A.
Tripp
,
M. K.
Linder
,
Z.
Hu
,
M. R.
Detty
,
L.
Jensen
, and
J. P.
Camden
,
J. Phys. Chem. C
122
,
25051
(
2018
).
54.
D. J.
Morrow
,
D. D.
Kohler
, and
J. C.
Wright
,
Phys. Rev. A
96
,
063835
(
2017
).
55.
J. D.
Handali
,
K. F.
Sunden
,
E. M.
Kaufman
, and
J. C.
Wright
,
Chem. Phys.
512
,
13
(
2018
).
56.
Y. C.
Chung
and
L. D.
Ziegler
,
J. Chem. Phys.
88
,
7287
(
1988
).
57.
N.
Bloembergen
and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev.
133
,
A37
(
1964
).
58.
J.
Sung
and
R. J.
Silbey
,
J. Chem. Phys.
115
,
9266
(
2001
).
59.
J.
Sue
,
Y. J.
Yan
, and
S.
Mukamel
,
J. Chem. Phys.
85
,
462
(
1986
).
60.
Y. J.
Yan
,
M.
Sparpaglione
, and
S.
Mukamel
,
J. Phys. Chem.
92
,
4842
(
1988
).
61.
B.
Li
,
A. E.
Johnson
,
S.
Mukamel
, and
A. B.
Myers
,
J. Am. Chem. Soc.
116
,
11039
(
1994
).
63.
M. B.
Raschke
,
M.
Hayashi
,
S. H.
Lin
, and
Y. R.
Shen
,
Chem. Phys. Lett.
359
,
367
(
2002
).
64.
H.
Dong
,
N. H. C.
Lewis
,
T. A. A.
Oliver
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
142
,
174201
(
2015
).
65.
N. H. C.
Lewis
,
H.
Dong
,
T. A. A.
Oliver
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
142
,
174202
(
2015
).
66.
E.
Yablonovitch
,
C.
Flytzanis
, and
N.
Bloembergen
,
Phys. Rev. Lett.
29
,
865
(
1972
).
67.
M.
Bonn
,
C.
Hess
,
J. H.
Miners
,
T. F.
Heinz
,
H. J.
Bakker
, and
M.
Cho
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
1566
(
2001
).
68.
M. A.
Belkin
,
T. A.
Kulakov
,
K.-H.
Ernst
,
L.
Yan
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
4474
(
2000
).
69.
A. J.
Moad
and
G. J.
Simpson
,
J. Phys. Chem. A
109
,
1316
(
2005
).
70.
D.
Bedeaux
and
N.
Bloembergen
,
Physica
69
,
57
(
1973
).
71.
D. L.
Andrews
and
T.
Thirunamachandran
,
J. Chem. Phys.
67
,
5026
(
1977
).
72.
Y.
Prior
,
IEEE J. Quantum Electron.
20
,
37
(
1984
).
73.
P. D.
Maker
and
R. W.
Terhune
,
Phys. Rev.
137
,
A801
(
1965
).
74.
G.
Placzek
, “
Rayleigh-streuung und Raman-effekt: Part 2
,” in
Handbuch der Radiologie
, edited by
E.
Marx
(
Akademische Verlagsgesellschaft
,
Leipzig
,
1934
), Vol.
6
, p.
204
.
75.
D. A.
Long
and
L.
Stanton
,
Proc. R. Soc. A
318
,
441
(
1970
).
76.
E. B.
Wilson
,
J. C.
Decius
, and
P. C.
Cross
,
Molecular Vibrations: The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra
(
Dover Publications
,
1980
).
77.
A. C.
Albrecht
,
J. Chem. Phys.
34
,
1476
(
1961
).
78.
M.
Born
and
R.
Oppenheimer
,
Ann. Phys.
389
,
457
(
1927
).
79.
J.
Tang
and
A. C.
Albrecht
, “
Developments in the theories of vibrational Raman intensities
,” in
Raman Spectroscopy: Theory and Practice
, edited by
H. A.
Szymanski
(
Springer
,
Boston, MA
,
1970
), pp.
33
68
.
80.
S.
Lee
and
E. J.
Heller
,
J. Chem. Phys.
71
,
4777
(
1979
).
81.
L. C. T.
Shoute
,
G. P.
Bartholomew
,
G. C.
Bazan
, and
A. M.
Kelley
,
J. Chem. Phys.
122
,
184508
(
2005
).
82.
D. W.
Silverstein
and
L.
Jensen
,
J. Chem. Phys.
136
,
064111
(
2012
).
83.
L.
Ziegler
and
A. C.
Albrecht
,
J. Chem. Phys.
60
,
3558
(
1974
).
84.
A.
Warshel
and
P.
Dauber
,
J. Chem. Phys.
66
,
5477
(
1977
).
86.
G.
Herzberg
and
E.
Teller
,
Z. Phys. Chem.
21B
,
410
(
1933
).
87.
J. P.
Neddersen
,
S. A.
Mounter
,
J. M.
Bostick
, and
C. K.
Johnson
,
J. Chem. Phys.
90
,
4719
(
1989
).
88.
C. C.
Bonang
and
S. M.
Cameron
,
J. Chem. Phys.
97
,
5377
(
1992
).
89.
V. I.
Petrov
,
Opt. Spectrosc.
59
,
284
(
1985
).
90.
A. V.
Baranov
,
Y. S.
Bobovich
, and
V. I.
Petrov
,
Sov. Phys. Usp.
33
,
812
(
1990
).
91.
F.
Duschinsky
,
Acta Physicochim. URSS
7
,
551
(
1937
).
92.
C. B.
Milojevich
,
D. W.
Silverstein
,
L.
Jensen
, and
J. P.
Camden
,
J. Phys. Chem. C
117
,
3046
(
2013
).
93.
C. B.
Milojevich
,
D. W.
Silverstein
,
L.
Jensen
, and
J. P.
Camden
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
14590
(
2011
).
94.
S.
Kundu
,
P. P.
Roy
,
G. R.
Fleming
, and
N.
Makri
,
J. Phys. Chem. B
126
,
2899
(
2022
).
95.
A. B.
Myers
,
R. A.
Mathies
,
D. J.
Tannor
, and
E. J.
Heller
,
J. Chem. Phys.
77
,
3857
(
1982
).
96.
B.
Li
and
A. B.
Myers
,
J. Phys. Chem.
94
,
4051
(
1990
).
97.
Z.-Y.
Gong
,
G.
Tian
,
S.
Duan
, and
Y.
Luo
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
5385
(
2015
).
98.
J.
Brennan
,
T. H.
Choi
,
Z. M.
Soilis
,
N. L.
Rosi
,
J. K.
Johnson
, and
R.
Frontiera
,
J. Chem. Phys.
161
,
034701
(
2024
).
99.
G.
Fumero
,
C.
Schnedermann
,
G.
Batignani
,
T.
Wende
,
M.
Liebel
,
G.
Bassolino
,
C.
Ferrante
,
S.
Mukamel
,
P.
Kukura
, and
T.
Scopigno
,
Phys. Rev. X
10
,
011051
(
2020
).
100.
G.
Batignani
,
E.
Mai
,
G.
Fumero
,
S.
Mukamel
, and
T.
Scopigno
,
Nat. Commun.
13
,
7770
(
2022
).
101.
R. A.
Desiderio
and
B. S.
Hudson
,
Chem. Phys. Lett.
61
,
445
(
1979
).
102.
B.
Dick
and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Chem. Phys.
78
,
3398
(
1983
).
103.
R. J.
Carlson
and
J. C.
Wright
,
J. Mol. Spectrosc.
143
,
1
(
1990
).
105.
L. A.
Yurs
,
S. B.
Block
,
A. V.
Pakoulev
,
R. S.
Selinsky
,
S.
Jin
, and
J. C.
Wright
,
J. Phys. Chem. C
116
,
5546
(
2012
).
106.
M. T.
Riebe
and
J. C.
Wright
,
J. Chem. Phys.
88
,
2981
(
1988
).
107.
C.
Xu
,
J. B.
Shear
, and
W. W.
Webb
,
Anal. Chem.
69
,
1285
(
1997
).
108.
M. D.
Levenson
and
N.
Bloembergen
,
J. Chem. Phys.
60
,
1323
(
1974
).
109.
M. D.
Levenson
and
N.
Bloembergen
,
Phys. Rev. B
10
,
4447
(
1974
).
110.
R.
Bersohn
,
Y.
Pao
, and
H. L.
Frisch
,
J. Chem. Phys.
45
,
3184
(
1966
).
111.
M.
Kauranen
and
A.
Persoons
,
J. Chem. Phys.
104
,
3445
(
1996
).
112.
Q.
Du
,
E.
Freysz
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
238
(
1994
).
113.
Y. R.
Shen
,
The Principles of Nonlinear Optics
(
Wiley
,
2003
).
114.
S. M.
Piontek
and
E.
Borguet
,
Surf. Sci. Rep.
78
,
100606
(
2023
).
You do not currently have access to this content.