This work explores some of the considerations for the design and operation of a fungal spore sensor using Magnetic Resonance Force Microscopy (MRFM). This work starts by introducing the physics, components and theory of operation which make MRFM a favourable method for detecting the presence of fungal spores, which have physical dimensions in the range of a few microns to a few hundred microns. MATLAB was used to simulate changes in the dipole magnetic force which acts between a mold spore and a MEMS cantilever beam during a MRFM experiment. The dimensions, characteristics and response of the cantilever beam is estimated using MATLAB and re ned with multiple simulations in COMSOL Multiphysics. The results are two cantilever models, one made using silicon and the other silicon nitride, have approximate quality factors of 30, spring constants around 80 10^6 N/m and resonance frequencies close to 10 kHz. This work also discusses the proposed manufacturing process and considerations for the MEMS cantilever structure and the additional components of the intended prototype sensor. A sequence of operation for the initial calibration and typical operation of the spore sensor is also included in this work. The fungal spore itself is adhered within the sensing range of the sensor by using an antibody selectively chosen to bind with the targeted spore. This work concentrates on the detection of the Botryris cinerea fungal spore, however the results from this work can be easily expanded on to detect additional fungal spores by changing the monoclonal antibody used to target the other spore types

Cette thèse à pour objet l'étude expérimentale de la dynamiquede l'aimantation de disques de taille sub-micronique fait dematériau ferromagnétiques à faible amortissement . Pour cela,nous avons utilisé une technique spectroscopique extremementsensible qui sera préalablement présentée: la résonanceferromagnétique détéctée mécaniquement. Une premièrepartie est consacrée à la mesure des modes propres dans des disquesde NiMnSb dans leur état rémanent: le vortex. L'influence d'unchamp magnétique, aplliqué perpendiculairement, sur les ondes despin du vortex est détaillé. L'accent est ensuite mis surl'interaction du coeur de vortex avec ces ondes de spin, qui mèneà son retournement dynamique. Un cadre théorique de l'étatvortex est présenté, permettant de modéliser les mesuresexpérimentales. Dans une deuxième partie, le problème de ladynamique collective de plusieurs disques de FeV dont l'aimantation estsaturée perpendiculairement est étudié. La mesure des modescouplés par l'intéraction dipolaire dynamique y est présentée,associée à une modélisation théorique qui expliquequantitativement les résultats observés. / This thesis is aimed at studying experimentally the magnetisationdynamics of discs in the sub-micron range made of low dampingferromagnetic materials. For this purpose, an extremely sensitivetechnique has been used: the ferromagnetic resonance force microscopy. A firstpart is devoted to the measurement of the eigenmodes of NiMnSb discstaken in their remanent state: a vortex. The influence of aperpendicular magnetic field on the spin wave modes in the vortex state willbe detailled. Then, the coupling mechanism between the vortex core andthese spin wave, eventually leading to its dynamical reversal, ishighlighted. A theoretical framework of the vortex state is presented,allowing to model the experimental observations. In a second part,the problem of the collective magnetisation dynamics in several FeVdiscs is addressed. Measurements of the collective modes coupled bythe dynamical dipolar interaction are presented, associated with atheoretical modelisation which explain quantitatively the experimentalresults.

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Les nano-Oscillateurs à transfert de spin (STNOs) sont des dispositifs capables d'émettre une onde hyperfréquence lorsqu'ils sont pompés par un courant polarisé grâce au couple de transfert de spin. Bien qu'ils offrent de nombreux avantages (agilité spectrale, intégrabilité, etc.) pour les applications, leur puissance d'émission et leur pureté spectrale sont en général faibles. Une stratégie pour améliorer ces propriétés est de synchroniser plusieurs oscillateurs entre eux. Une première étape est de comprendre la synchronisation d'un STNO unique à une source externe. Pour cela, nous avons étudié une vanne de spin Cu60|NiFe15|Cu10|NiFe4| Au25 (épaisseurs en nm) de section circulaire de 200 nm. Dans l'état saturé perpendiculaire (champ appliqué > 0.8 T), nous avons déterminé la nature du mode qui auto-Oscille et son couplage à une source externe grâce à un microscope de force par résonance magnétique (MRFM). Seul un champ micro-Onde uniforme permet de synchroniser le mode oscillant de la couche fine car il possède la bonne symétrie spatiale, au contraire du courant micro-Onde traversant l'échantillon. Ce même échantillon a ensuite été étudié sous faible champ perpendiculaire, les deux couches magnétiques étant alors dans l'état vortex. Dans ce cas, il est possible d'exciter un mode de grande cohérence (F/ ∆F >15000) avec une largeur de raie inférieure à 100 kHz. En analysant le contenu harmonique du spectre, nous avons déterminé que le couplage non-Linéaire amplitude-Phase du mode excité est quasi nul, ce qui explique la grande pureté spectrale observée, et qu'en parallèle, la fréquence d'oscillation reste ajustable sur une grande gamme grâce au champ d'Oersted créé par le courant injecté. De plus, la synchronisation de ce mode à une source de champ micro-Onde est très robuste, la largeur de raie mesurée diminuant de plus de cinq ordres de grandeur par rapport au régime autonome. Nous concluons de cette étude que le couplage magnéto-Dipolaire entre STNOs à base de vortex est très prometteur pour obtenir une synchronisation mutuelle, le champ dipolaire rayonné par un STNO sur ses voisins jouant alors le rôle de la source micro-Onde. Nous sommes donc passés à l'étape suivante, à savoir la mesure expérimentale de deux STNOs similaires séparés latéralement de 100 nm. En jouant sur les différentes configurations de polarités des vortex, nous avons réussi à observer la synchronisation mutuelle de ces deux oscillateurs. / Spin transfer nano-Oscillators (STNOs) are nanoscale devices capable of generating high frequency microwave signals through spin momentum transfer. Although they offer decisive advantages compared to existing technology (spectral agility, integrability, etc.), their emitted power and spectral purity are quite poor. In view of their applications, a promising strategy to improve the coherence and increase the emitted microwave power of these devices is to mutually synchronize several of them. A first step is to understand the synchronization of a single STNO to an external source. For this, we have studied a circular nanopillar of diameter 200~nm patterned from a Cu60|Py15|Cu10|Py4|Au25 stack, where thicknesses are in nm. In the saturated state (bias magnetic field > 0.8 T), we have identified the auto-Oscillating mode and its coupling to an external source by using a magnetic resonance force microscope (MRFM). Only the uniform microwave field applied perpendicularly to the bias field is efficient to synchronize the STNO because it shares the spatial symmetry of the auto-Oscillation mode, in contrast to the microwave current passing through the device. The same sample was then studied under low perpendicular magnetic field, with the two magnetic layers in the vortex state. In this case, it is possible to excite a highly coherent mode (F/∆F>15000) with a linewidth below 100 kHz. By analyzing the harmonic content of the spectrum, we have determined that the non-Linear amplitude-Phase coupling of the excited mode is almost vanishing, which explains the high spectral purity observed. Moreover, the oscillation frequency can still be widely tuned thanks to the Oersted field created by the dc current. We have also shown that the synchronization of this mode to a microwave field source is very robust, the generation linewidth decreasing by more than five orders of magnitude compared to the autonomous regime. From these findings we conclude that the magneto-Dipolar interaction is promising to achieve mutual coupling of vortex based STNOs, the dipolar field from a neighboring oscillator playing the role of the microwave source. We have thus experimentally measured a system composed of two STNOs laterally separated by 100 nm. By varying the different configurations of vortex polarities, we have observed the mutual synchronization of these two oscillators.

This thesis is aimed at studying experimentally the magnetisationdynamics of discs in the sub-micron range made of low dampingferromagnetic materials. For this purpose, an extremely sensitivetechnique has been used: the ferromagnetic resonance force microscopy. A firstpart is devoted to the measurement of the eigenmodes of NiMnSb discstaken in their remanent state: a vortex. The influence of aperpendicular magnetic field on the spin wave modes in the vortex state willbe detailled. Then, the coupling mechanism between the vortex core andthese spin wave, eventually leading to its dynamical reversal, ishighlighted. A theoretical framework of the vortex state is presented,allowing to model the experimental observations. In a second part,the problem of the collective magnetisation dynamics in several FeVdiscs is addressed. Measurements of the collective modes coupled bythe dynamical dipolar interaction are presented, associated with atheoretical modelisation which explain quantitatively the experimentalresults.

Nuclear magnetic resonance force microscopy (NMRFM) is a technique that combines aspects of scanning probe microscopy (SPM) and nuclear magnetic resonance (NMR) to obtain 3 dimensional nanoscale spatial resolution and perform spectroscopy. We describe the components of a helium-3 NMRFM probe and studies of ammonium sulfate ((NH₄)₂SO₄) and magnesium diboride (MgB₂). For our room temperature (NH₄)₂SO₄ studies we were able to perform a 1-D scan and perform nutation and spin echo experiments. In our 77 K MgB₂ we demonstrate a 1-D scan of a 30 micron powder sample. In addition, we describe magnetic measurements of the possible dilute semiconductors Mn[subscript x]Sc[subscript 1-x]N and Fe₀.₁Sc₀.₉N. / text

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Cette thèse concerne l'étude d'un nouvel outil expérimental d'investigation de la dynamique de l'aimantation, adapté à la mesure de nanostructures magnétiques. Cette technique, la Microscopie par Résonance Ferromagnétique (f-MRFM), s'inspire des microscopies à sonde locale pour réaliser une détection mécanique de la Résonance Ferromagnétique (RFM). Un dispositif original a été mis au point. Ses performances sont caractérisées par l'étude d'un disque de grenat magnétique de 160 microm. de diamètre. Les résultats démontrent une sensibilité et une résolution spectrale adaptées à la mesure d'échantillons microscopiques individuels, et permettent de conclure quant à la configuration la plus judicieuse en terme d'intensité du signal ou de résolution spatiale pour l'imagerie des excitations magnétiques. Cette technique permet en outre de remonter à une information quantitative sur la RFM, capacité qui est utilisée pour obtenir une mesure directe du temps de relaxation longitudinal T1.

L'objectif de ce travail de thèse est de comprendre l'influence d'un courant continu traversant une vanne de spin sur la dynamique de son aimantation. Pour ce faire, un spectromètre original capable de mesurer la résonance ferromagnétique (RFM) dune nanostructure individuelle a été développé. Son caractère innovant est d'utiliser une détection mécanique, inspirée des techniques de microscopie en champ proche. Le spectre d'excitation RFM d'un nano-disque isolé de Permalloy a d'abord été mesuré. Cette étude a permis de comprendre quantitativement les modifications spectrales induites par les effets de taille finie. Ensuite, des systèmes hybrides composés de multicouches magnétiques métalliques ont été étudiés. Dans les échantillons mesurés, des effets de transfert de spin ont été observés, bien qu'ils soient dominés par ceux du champ d'oersted. Le dispositif expérimental a également permis de suivre la variation du terme de relaxation d'un système de spins ferromagnétique dans le régime haute puissance. Nos résultats montrent que l'amortissement diminue quand les effets non-linéaires entrent en jeu.