Two-dimensional electronic spectroscopy (2DES) is a powerful method to probe the coherent electron dynamics in complicated systems. Stabilizing the phase difference of the incident ultrashort pulses is the most challenging part for experimental demonstration of 2DES. Here, we present a tutorial review on the 2DES protocols based on active phase managements which are originally developed for quantum optics experiments. We introduce the 2DES techniques in box and pump-probe geometries with phase stabilization realized by interferometry, and outline the fully collinear 2DES approach with the frequency tagging by acoustic optical modulators and frequency combs. The combination of active phase managements, ultrashort pulses and other spectroscopic methods may open new opportunities to tackle essential challenges related to excited states.

[1]
P.
Hamm
,
M.
Lim
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. B
102
,
6123
(
1998
).
[2]
P.
Hamm
and
M.
Zanni
,
Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy
,
Cambridge
:
Cambridge University Press, (2011
).
[3]
T.
Chien-Hung
,
M.
Spiridoula
, and
T. C.
Weinacht
,
Opt. Express
17
,
18788
(
2009
).
[4]
S.
Ulrike
,
S.
Carl-Friedrich
,
F.
Michael
,
L.
Florian
,
N.
Patrick
, and
B.
Tobias
,
Opt. Lett.
35
,
4178
(
2010
).
[5]
C. H.
Tseng
,
P.
Sándor
,
M.
Kotur
,
T. C.
Weinacht
, and
S.
Matsika
,
J. Phys. Chem. A
116
,
2654
(
2011
).
[6]
B. A.
West
,
J. M.
Womick
, and
A. M.
Moran
,
J. Phys. Chem. A
115
,
8630
(
2011
).
[7]
A.
Gerald
,
C.
Cristina
,
V. M.
Frank
, and
C.
Majed
,
Opt. Lett.
37
,
2337
(
2012
).
[8]
B. A.
West
and
A. M.
Moran
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
2575
(
2012
).
[9]
C.
Cristina
,
A. C.
Gerald
,
V. M.
Frank
, and
C.
Majed
,
Science
339
,
1586
(
2013
).
[10]
N.
Krebs
,
I.
Pugliesi
,
J.
Hauer
, and
E.
Riedle
,
New J. Phys.
15
,
085016
(
2013
).
[11]
B. A.
West
,
P. G.
Giokas
,
B. P.
Molesky
,
A. D.
Ross
, and
A. M.
Moran
,
Opt. Express
21
,
2118
(
2013
).
[12]
J. R.
Widom
,
N. P.
Johnson
,
P. H.
von Hippel
, and
A. H.
Marcus
,
New J. Phys.
15
,
5028
(
2013
).
[13]
V. I.
Prokhorenko
,
A.
Picchiotti
,
S.
Maneshi
, and
R. J. D.
Miller
,
In 19th International Conference on Ultrafast Phenomena
,
Okinawa, Japan
, Vol.
162
,
432
(
2014
).
[14]
R.
Borrego-Varillas
,
A.
Oriana
,
L.
Ganzer
,
A.
Trifonov
,
I.
Buchvarov
,
C.
Manzoni
, and
G.
Cerullo
,
Opt. Express
24
,
28491
(
2016
).
[15]
S.
Westenhoff
,
D.
Palecek
,
P.
Edlund
,
P.
Smith
, and
D.
Zigmantas
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
16484
(
2012
).
[16]
W.
Kuehn
,
K.
Reimann
,
M.
Woerner
,
T.
Elsaesser
, and
R.
Hey
,
J. Phys. Chem. B
115
,
5448
(
2011
).
[17]
M.
Woerner
,
W.
Kuehn
,
P.
Bowlan
,
K.
Reimann
, and
T.
Elsaesser
,
New J. Phys.
15
,
025039
(
2013
).
[18]
F. D.
Fuller
and
J. P.
Ogilvie
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
66
,
667
(
2015
).
[19]
T. A. A.
Oliver
,
R. Soc. Open Sci.
5
,
171425
(
2018
).
[20]
L.
Zhou
,
L.
Tian
, and
W. K.
Zhang
,
Chin. J. Chem. Phys.
33
,
385
(
2020
).
[21]
M.
Cho
,
Two-Dimensional Optical Spectroscopy
,
Boca Raton
:
CRC Press
, (
2009
).
[22]
D. M.
Jonas
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
54
,
425
(
2003
).
[23]
M.
Cho
,
Chem. Rev.
108
,
1331
(
2008
).
[24]
N. S.
Ginsberg
,
Y. C.
Cheng
, and
G. R.
Fleming
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1352
(
2009
).
[25]
Z.
Ganim
,
H. S.
Chung
,
A. W.
Smith
,
L. P.
DeFlores
,
K. C.
Jones
, and
A.
Tokmakoff
,
Acc. Chem. Res.
41
,
432
(
2008
).
[26]
D.
Abramavicius
,
B.
Palmieri
,
D. V.
Voronine
,
F.
Šanda
, and
S.
Mukamel
,
Chem. Rev.
109
,
2350
(
2009
).
[27]
S.
Mukamel
,
Y.
Tanimura
and
P.
Hamm
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1207
(
2009
).
[28]
B.
Tobias
,
S.
Jens
,
H. M.
Vaswani
,
C.
Minhaeng
,
R. E.
Blankenship
, and
G. R.
Fleming
,
Nature
434
,
625
(
2005
).
[29]
G. S.
Engel
,
T. R.
Calhoun
,
E. L.
Read
,
T. K.
Ahn
,
T.
Mancal
,
Y. C.
Cheng
,
R. E.
Blankenship
, and
G. R.
Fleming
,
Nature
446
,
782
(
2007
).
[30]
L.
Hohjai
,
C.
Yuan-Chung
, and
G. R.
Fleming
,
Science
316
,
1462
(
2007
).
[31]
E.
Collini
,
C. Y.
Wong
,
K. E.
Wilk
,
P. M.
Curmi
,
P.
Brumer
, and
G. D.
Scholes
,
Nature
463
,
644
(
2010
).
[32]
F. D.
Fuller
,
J.
Pan
,
A.
Gelzinis
,
V.
Butkus
,
S. S.
Senlik
,
D. E.
Wilcox
,
C. F.
Yocum
,
L.
Valkunas
,
D.
Abramavicius
, and
J. P.
Ogilvie
,
Nat. Chem.
6
,
706
(
2014
).
[33]
T. R.
Calhoun
,
N. S.
Ginsberg
,
G. S.
Schlau-Cohen
,
Y. C.
Cheng
,
M.
Ballottari
,
R.
Bassi
, and
G. R.
Fleming
,
J. Phys. Chem. B
113
,
16291
(
2009
).
[34]
G.
Panitchayangkoon
,
D.
Hayes
,
K. A.
Fransted
,
J. R.
Caram
,
E.
Harel
,
J.
Wen
,
R. E.
Blankenship
, and
G. S.
Engel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
107
,
12766
(
2010
).
[35]
J.
Lim
,
D.
Palecek
,
F.
Caycedo-Soler
,
C. N.
Lincoln
,
J.
Prior
,
H.
von Berlepsch
,
S. F.
Huelga
,
M. B.
Plenio
,
D.
Zigmantas
, and
J.
Hauer
,
Nat. Commun.
6
,
7755
(
2015
).
[36]
J. M.
Richter
,
F.
Branchi
,
V. D. A. C.
Franco
,
B.
Zhao
,
R. H.
Friend
,
G.
Cerullo
, and
F.
Deschler
,
Nat. Commun.
8
,
376
(
2017
).
[37]
A.
Jha
,
H. G.
Duan
,
V.
Tiwari
,
P. K.
Nayak
,
H. J.
Snaith
,
M.
Thorwart
, and
R. J. D.
Miller
,
ACS Photon.
5
,
852
(
2018
).
[38]
K. W.
Stone
,
G.
Kenan
,
D. B.
Turner
,
L.
Xiaoqin
,
S. T.
Cundiff
, and
K. A.
Nelson
,
Science
324
,
1169
(
2009
).
[39]
D. B.
Turner
and
K. A.
Nelson
,
Nature
466
,
1089
(
2010
).
[40]
A. E.
Almand-Hunter
,
H.
Li
,
S. T.
Cundiff
,
M.
Mootz
,
M.
Kira
, and
S. W.
Koch
,
Nature
506
,
471
(
2014
).
[41]
S.
Yue
,
Z.
Wang
,
X. C.
He
,
G. B.
Zhu
, and
Y. X.
Weng
,
Chin. J. Chem. Phys.
28
,
509
(
2015
).
[42]
T.
Brixner
,
I. V.
Stiopkin
, and
G. R.
Fleming
,
Opt. Lett.
29
,
884
(
2004
).
[43]
T.
Brixner
,
T.
Mancal
,
I. V.
Stiopkin
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
121
,
4221
(
2004
).
[44]
M. L.
Cowan
,
J. P.
Ogilvie
, and
R. J. D.
Miller
,
Chem. Phys. Lett.
386
,
184
(
2004
).
[45]
A.
Ramünas
and
Z.
Donatas
,
Opt. Express
19
,
13126
(
2011
).
[46]
X.
Ma
,
J.
Dostal
, and
T.
Brixner
,
Opt. Express
24
,
20781
(
2016
).
[47]
Y. X.
Weng
,
Chin. J. Chem. Phys.
31
,
135
(
2018
).
[48]
E. M.
Grumstrup
,
S. H.
Shim
,
M. A.
Montgomery
,
N. H.
Damrauer
, and
M. T.
Zanni
,
Opt. Express
15
,
16681
(
2007
).
[49]
J. A.
Myers
,
K. L. M.
Lewis
,
P. F.
Tekavec
, and
J. P.
Ogilvie
,
Opt. Express
16
,
17420
(
2008
).
[50]
K.
Gundogdu
,
K. W.
Stone
,
D. B.
Turner
, and
K. A.
Nelson
,
Chem. Phys.
341
,
89
(
2007
).
[51]
J. C.
Vaughan
,
T.
Hornung
,
K. W.
Stone
, and
K. A.
Nelson
,
J. Phys. Chem. A
111
,
4873
(
2007
).
[52]
K. W.
Stone
,
D. B.
Turner
,
G.
Kenan
,
S. T.
Cundiff
, and
K. A.
Nelson
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1452
(
2009
).
[53]
D. B.
Turner
,
K. W.
Stone
,
K.
Gundogdu
, and
K. A.
Nelson
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
307
(
2011
).
[54]
D.
Brida
,
C.
Manzoni
, and
G.
Cerullo
,
Opt. Lett.
37
,
3027
(
2012
).
[55]
J.
Rehault
,
M.
Maiuri
,
A.
Oriana
, and
G.
Cerullo
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
123107
(
2014
).
[56]
J. D.
Hybl
,
A. W.
Albrecht
,
S. M. G.
Faeder
, and
D. M.
Jonas
,
Chem. Phys. Lett.
297
,
307
(
1998
).
[57]
L.
Lepetit
and
M.
Joffre
,
Opt. Lett.
21
,
564
(
1996
).
[58]
A. D.
Bristow
,
D.
Karaiskaj
,
X.
Dai
,
T.
Zhang
,
C.
Carlsson
,
K. R.
Hagen
,
R.
Jimenez
, and
S. T.
Cundiff
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
073108
(
2009
).
[59]
X.
Li
,
T.
Zhang
,
C. N.
Borca
, and
S. T.
Cundiff
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
057406
(
2006
).
[60]
T.
Zhang
,
I.
Kuznetsova
,
T.
Meier
,
X.
Li
,
R. P.
Mirin
,
P.
Thomas
, and
S. T.
Cundiff
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
104
,
14227
(
2007
).
[61]
D.
Xingcan
,
R.
Marten
,
L.
Hebin
,
A. D.
Bristow
,
F.
Cyril
,
M.
Shaul
, and
S. T.
Cundiff
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
193201
(
2012
).
[62]
T. L.
Courtney
,
S. D.
Park
,
R. J.
Hill
,
B.
Cho
, and
D. M.
Jonas
,
Opt. Lett.
39
,
513
(
2014
).
[63]
W.
Zhu
,
R.
Wang
,
C.
Zhang
,
G.
Wang
,
Y.
Liu
,
W.
Zhao
,
X.
Dai
,
X.
Wang
,
G.
Cerullo
,
S.
Cundiff
, and
M.
Xiao
,
Opt. Express
25
,
21115
(
2017
).
[64]
T.
Peifang
,
K.
Dorine
,
S.
Yoshifumi
, and
W. S.
Warren
,
Science
300
,
1553
(
2003
).
[65]
W.
Wagner
,
C.
Li
,
J.
Semmlow
, and
W. S.
Warren
,
Opt. Express
13
,
3697
(
2005
).
[66]
A. K.
De
,
D.
Monahan
,
J. M.
Dawlaty
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
140
,
194201
(
2014
).
[67]
P. F.
Tekavec
,
G. A.
Lott
, and
A. H.
Marcus
,
J. Chem. Phys.
127
,
214307
(
2007
).
[68]
V.
Tiwari
,
Y. A.
Matutes
,
A. T.
Gardiner
,
T. L. C.
Jansen
,
R. J.
Cogdell
, and
J. P.
Ogilvie
,
Nat. Commun.
9
,
4219
(
2018
).
[69]
S.
Goetz
,
D.
Li
,
V.
Kolb
,
J.
Pflaum
, and
T.
Brixner
,
Opt. Express
26
,
3915
(
2018
).
[70]
S.
Draeger
,
S.
Roeding
, and
T.
Brixner
,
Opt. Express
25
,
3259
(
2017
).
[71]
K. J.
Karki
,
J. R.
Widom
,
J.
Seibt
,
I.
Moody
,
M. C.
Lonergan
,
T.
Pullerits
, and
A. H.
Marcus
,
Nat. Commun.
5
,
5869
(
2014
).
[72]
G.
Nardin
,
T. M.
Autry
,
K. L.
Silverman
, and
S. T.
Cundiff
,
Opt. Express
21
,
28617
(
2013
).
[73]
E.
Vella
,
H.
Li
,
P.
Grégoire
,
S. M.
Tuladhar
, and
E. R.
Bittner
,
Sci. Rep.
6
,
29437
(
2016
).
[74]
M.
Aeschlimann
,
T.
Brixner
,
D.
Differt
,
U.
Heinzmann
,
M.
Hensen
,
C.
Kramer
,
F.
Lkermann
,
P.
Melchior
,
W.
Pfeiffer
,
M.
Piecuch
,
C.
Schneider
,
H.
Stiebig
,
C.
Strüber
, and
P.
Thielen
,
Nat. Photon.
9
,
663
(
2015
).
[75]
S.
Rahav
and
S.
Mukamel
,
Phys. Rev. A
81
,
063810
(
2010
).
[76]
M.
Aeschlimann
,
T.
Brixner
,
A.
Fischer
,
C.
Kramer
,
P.
Melchior
,
W.
Pfeiffer
,
C.
Schneider
,
C.
Struber
,
P.
Tuchscherer
, and
D. V.
Voronine
,
Science
333
,
1723
(
2011
).
[77]
C.
Timm
and
K. H.
Bennemann
,
J. Phys. Conden. Matt.
16
,
661
(
2004
).
[78]
H. S.
Tan
,
J. Chem. Phys.
129
,
124501
(
2008
).
[79]
S.
Goetz
,
D.
Li
,
V.
Kolb
,
J.
Pflaum
, and
T.
Brixner
,
Opt. Express
26
,
3915
(
2018
).
[80]
S.
Mueller
and
T.
Brixner
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
5139
(
2020
).
[81]
I.
Coddington
,
N.
Newbury
, and
W.
Swann
,
Optica
3
,
414
(
2016
).
[82]
I.
Coddington
,
W. C.
Swann
, and
N. R.
Newbury
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
013902
(
2008
).
[83]
K.
Fritz
,
G.
Christoph
, and
H.
Ronald
,
Opt. Lett.
29
,
1542
(
2004
).
[84]
B.
Lomsadze
and
S. T.
Cundiff
,
Opt. Lett.
42
,
2346
(
2017
).
[85]
B.
Lomsadze
and
S. T.
Cundiff
,
Science
357
,
1389
(
2017
).
[86]
P. A.
Elzinga
,
F. E.
Lytle
,
Y.
Jian
,
G. B.
King
, and
N. M.
Laurendeau
,
Appl. Spec.
41
,
2
(
1987
).
[87]
B.
Lomsadze
,
B. C.
Smith
, and
S. T.
Cundiff
,
Nat. Photon.
12
,
676
(
2018
).
[88]
B.
Lomsadze
and
S. T.
Cundiff
,
IEEE Photon. Tech. Lett.
31
,
1886
(
2019
).
[89]
J.
Jeon
,
J. W.
Kim
,
T. H.
Yoon
, and
M.
Cho
,
J. Opt. Soc. Am. B
36
,
223
(
2019
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.