Integrated-photonics microchips now enable a range of advanced functionalities for high-coherence applications such as data transmission, highly optimized physical sensors, and harnessing quantum states, but with cost, efficiency, and portability much beyond tabletop experiments. Through high-volume semiconductor processing built around advanced materials there exists an opportunity for integrated devices to impact applications cutting across disciplines of basic science and technology. Here we show how to synthesize the absolute frequency of a lightwave signal, using integrated photonics to implement lasers, system interconnects, and nonlinear frequency comb generation. The laser frequency output of our synthesizer is programmed by a microwave clock across 4 THz near 1550 nm with 1 Hz resolution and traceability to the SI second. This is accomplished with a heterogeneously integrated III/V-Si tunable laser, which is guided by dual dissipative-Kerr-soliton frequency combs fabricated on silicon chips. Through out-of-loop measurements of the phase-coherent, microwave-to-optical link, we verify that the fractional-frequency instability of the integrated photonics synthesizer matches the $7.0*10^{-13}$ reference-clock instability for a 1 second acquisition, and constrain any synthesis error to $7.7*10^{-15}$ while stepping the synthesizer across the telecommunication C band. Any application of an optical frequency source would be enabled by the precision optical synthesis presented here. Building on the ubiquitous capability in the microwave domain, our results demonstrate a first path to synthesis with integrated photonics, leveraging low-cost, low-power, and compact features that will be critical for its widespread use.

We report on the fabrication of nanometer-scale mass sensors with subattogram sensitivity. Surface micromachined polycrystalline silicon and silicon nitride nanomechanical oscillators were used to detect the presence of well-defined mass loading. Controlled deposition of thiolate self-assembled monolayers on lithographically defined gold dots were used for calibrated mass loading. We used a dinitrophenyl poly(ethylene glycol) undecanthiol-based molecule (DNP-PEG4-C11thiol) as a model ligand for this study. Due to the fact that the gold mass is attached at the distance l0 from the end x=l of the cantilever beam, an additional moment evolves in the boundary condition of the oscillator, which was taken into consideration through the rotational inertia of the attached mass. We showed that the corresponding correction of the frequency is on the order of γ(l0/l), where γ is the attached mass normalized to the mass of the beam. The rotational inertia correction to the frequency is on the order of γ(l0/l)2. The adopted approach permits accurate determination of the eigenfrequency in the framework of the Euler–Bernoulli beam when rotational inertia of the attached mass is included. From the resonant frequency shift, the mass of the adsorbed species was determined and compared to results obtained by other techniques. Utilizing vacuum encapsulation, we demonstrate sensing capability in the attogram regime of the adsorbed self-assembled monolayer.

The ability to detect small amounts of materials, especially pathogenic bacteria, is important for medical diagnostics and for monitoring the food supply. Engineered micro- and nanomechanical systems can serve as multifunctional, highly sensitive, immunospecific biological detectors. We present a resonant frequency-based mass sensor, comprised of low-stress silicon nitride cantilever beams for the detection of Escherichia coli (E. coli)-cell-antibody binding events with detection sensitivity down to a single cell. The binding events involved the interaction between anti-E. coli O157:H7 antibodies immobilized on a cantilever beam and the O157 antigen present on the surface of pathogenic E. coli O157:H7. Additional mass loading from the specific binding of the E. coli cells was detected by measuring a resonant frequency shift of the micromechanical oscillator. In air, where considerable damping occurs, our device mass sensitivities for a 15 μm and 25 μm long beam were 1.1 Hz/fg and 7.1 Hz/fg, respectively. In both cases, utilizing thermal and ambient noise as a driving mechanism, the sensor was highly effective in detecting immobilized anti-E. coli antibody monolayer assemblies, as well as single E. coli cells. Our results suggest that tailoring of oscillator dimensions is a feasible approach for sensitivity enhancement of resonant mass sensors.

Laboratory optical atomic clocks achieve remarkable accuracy (now counted to 18 digits or more), opening possibilities for exploring fundamental physics and enabling new measurements. However, their size and the use of bulk components prevent them from being more widely adopted in applications that require precision timing. By leveraging silicon-chip photonics for integration and to reduce component size and complexity, we demonstrate a compact optical-clock architecture. Here a semiconductor laser is stabilized to an optical transition in a microfabricated rubidium vapor cell, and a pair of interlocked Kerr-microresonator frequency combs provide fully coherent optical division of the clock laser to generate an electronic 22 GHz clock signal with a fractional frequency instability of one part in 1013. These results demonstrate key concepts of how to use silicon-chip devices in future portable and ultraprecise optical clocks.

We have demonstrated high-sensitivity detection of bacteria using an array of bulk micromachined resonant cantilevers. The biological sensor is a micromechanical oscillator that consists of an array of silicon-nitride cantilevers with an immobilized antibody layer on the surface of the resonator. Measured resonant frequency shift as a function of the additional cell loading was observed and correlated to the mass of the specifically bound Escherichia coli O157:H7 cells. Deposition and subsequent detection of E. coli cells was achieved under ambient conditions.

We have used a resonating mechanical cantilever to detect immunospecific binding of viruses, captured from liquid. As a model virus, we used a nonpathogenic insect baculovirus to test the ability to specifically bind and detect small numbers of virus particles. Arrays of surface micromachined, antibody-coated polycrystalline silicon nanomechanical cantilever beams were used to detect binding from various concentrations of baculoviruses in a buffer solution. Because of their small mass, the 0.5μm×6μm cantilevers have mass sensitivities on the order of 10−19g∕Hz, enabling the detection of an immobilized AcV1 antibody monolayer corresponding to a mass of about 3×10−15g. With these devices, we can detect the mass of single-virus particles bound to the cantilever. Resonant frequency shift resulting from the adsorbed mass of the virus particles distinguished solutions of virus concentrations varying between 105 and 107pfu∕ml. Control experiments using buffer solutions without baculovirus showed small amounts (<50attograms) of nonspecific adsorption to the antibody layer.

Graphene's unparalleled strength, stiffness, and low mass per unit area make it an ideal material for nanomechanical resonators, but its relatively low quality factor is an important drawback that has been difficult to overcome. Here, we use a simple procedure to fabricate circular mechanical resonators of various diameters from graphene grown by chemical vapor deposition. In addition to highly reproducible resonance frequencies and mode shapes, we observe a striking improvement of the membrane quality factor with increasing size. At room temperature, we observe quality factors as high as 2400 ± 300 for a resonator 22.5 μm in diameter, about an order of magnitude greater than previously observed quality factors for monolayer graphene. Measurements of quality factor as a function of modal frequency reveal little dependence of Q on frequency. These measurements shed light on the mechanisms behind dissipation in monolayer graphene resonators and demonstrate that the quality factor of graphene resonators relative to their thickness is among the highest of any mechanical resonator demonstrated to date.

We demonstrate the fabrication of $\sim$1.08 $\mu$m deep microfluidic cavities with characteristic size as large as 7 mm $\times$ 11 mm or 11 mm diameter, using a silicon$-$glass anodic bonding technique that does not require posts to act as separators to define cavity height. Since the phase diagram of $^3$He is significantly altered under confinement, posts might act as pinning centers for phase boundaries. The previous generation of cavities relied on full wafer-bonding which is more prone to failure and requires dicing post-bonding, whereas the these cavities are made by bonding a pre-cut piece of Hoya SD-2 glass to a patterned piece of silicon in which the cavity is defined by etching. Anodic bonding was carried out at 425 $^{\circ}$C with 200 V, and we observe that pressurizing the cavity to failure ($>$ 30 bar pressure) results in glass breaking, rather than the glass-silicon bond separation. In this article, we discuss the detailed fabrication of the cavity, its edges, and details of the junction between the coin silver fill line and the silicon base of the cavity that enables a low internal-friction joint. This feature is important for mass coupling torsional oscillator experimental assays of the superfluid inertial contribution where a high quality factor ($Q$) improves frequency resolution. The surface preparation that yields well-characterized smooth surfaces to eliminate pinning sites, the use of transparent glass as a cover permitting optical access, low temperature capability and attachment of pressure-capable ports for fluid access may be features that are important in other applications.