L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 µT/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique. / Imaging weak magnetic fields at the nanoscale is a challenge for many field of reasearch, and for a wide range of applications, such as in material science, for the magnetic storage of the information, or in quantum optics with the opportunity to control a single spin used as a quantum bit, or in biophysics where magnetic resonance can enable structural imaging of a protein. In that context, this thesis describes the realisation of a scanning probe magnetometer based on the electron spin resonance of a single NV colour centre in diamond. Such a magnetometer provides unprecedented properties, consisting of a sub-nanometric spatial resolution, given by the effective atomic size of the defect, combined with a high sensitivity (< 1 µT/Hz^(-1/2)), even at room temperature. Moreover magnetic field ca be measured quantitatively, with no perturbation induced, which is a major asset comparing to what can be done using the usual magnetic force microscopy technique. We will first describe the realisation of the magnetic probe, consisting of a single NV colour centre in a diamond nanocristal, grafted at the apex of an AFM tip. Properties of this magnetometer will be then characterized by imaging the stray field generated by a magnetic hard disk. Different imaging techniques will be presented, and compared during this study. Finally, magnetic vortex in patterned ferromagnetic thin film will be imaged, especially the vortex core, which is known to be one of the smallest object of micromagnetism. The exceptional properties of NV based magnetometry, demonstrated in ths work, might enable various applications in nanomagnetisms and spintronics.

L’objectif principal de cette thèse vise la compréhension et la maitrise des mécanismes physiques menant à l’excitation du mode gyrotropique de vortex magnétique par transfert de spin, et en particulier l’origine des sources de bruit affectant sa dynamique. Ce travail est effectué dans la perspective de parvenir à l’amélioration des propriétés radiofréquences de ces dispositifs appelés Spin Transfer Oscillator.En effet, ces oscillateurs ont l’avantage d’être de taille submicronique (quelques dizaines à quelques centaines de nm), d’être compatibles avec les technologies CMOS et d’être résistants aux radiations. De plus, les mécanismes d’aimantation mis en jeu leur assurent une forte dépendance de la fréquence avec le courant, i.e. une bonne accordabilité, ainsi qu’une réponse dynamique rapide i.e. une agilité élevée. Cependant, différentes questions restent en suspens quant à la possibilité d’améliorer leurs conditions d’oscillations, leur puissance et la cohérence de leurs oscillations.Un premier aspect de mon travail de thèse a été d’étudier l’influence des fluctuations thermiques sur la dynamique entretenue du mode gyrotropique du cœur de vortex. Un des résultats a été de montrer que le bruit de phase du mode gyrotropique résulte majoritairement de fluctuations de phase issues directement des fluctuations thermiques auxquelles s’ajoutent des fluctuations d’amplitude converties en fluctuations de phase. Grâce à un modèle analytique, nous avons pu mettre en évidence le rôle important joué par les non-linéarités des forces agissant sur le vortex. De plus, nous avons pu mesurer les paramètres caractéristiques de l’oscillateur, à savoir, la rapidité à changer sa fréquence mais aussi le facteur de couplage amplitude-phase.La seconde étape de mes travaux a consisté à améliorer les conditions d’obtention de signal rf. Un résultat majeur de ce travail a été l’obtention d’un signal rf puissant en absence de champ magnétique. Les puissances mesurées sont de quelques centaines de µW correspondant à des largeurs de raie faibles allant de quelques centaines de kHz à quelques MHz. Cette spécificité est rendue possible pour une structure complexe de l’oscillateur où la couche magnétique qui polarise en spin le courant a une aimantation perpendiculaire et est différente de la couche de référence pour la magnétorésistance.La troisième étape a été d’optimiser le rendement de l’oscillateur. Un des résultats marquants est que nous avons pu mesurer une puissance rf émise record s’élevant à 3.6 µW, encore jamais obtenue à température ambiante pour les oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Ces fortes puissances résultent du développement de nouvelles jonctions à base de FeB effectués par le groupe de S. Yuasa (AIST, Japon) pour lesquelles l’amélioration de la qualité de la jonction, nous a permis d’obtenir une magnétorésistance atteignant 125% .La faible taille de l’oscillateur a donc un coût qui se paye en termes de bruit de phase. Une solution qui permettrait de résoudre cette limitation et d’améliorer la cohérence des oscillations est la synchronisation mutuelle de plusieurs oscillateurs à transfert de spin au travers des courants rf émis par chacun. Ainsi, la dernière étape de ma thèse a été d’étudier le comportement du mode gyrotropique lorsqu’il est soumis à un courant alternatif. Un résultat important a été de montrer, grâce à une étude expérimentale appuyée sur un modèle analytique, le rôle crucial des non-linéarités et des symétries des forces de synchronisation du mode excité.Ces différents travaux nous ont fournis les outils pour mieux comprendre la dynamique du vortex magnétique et nous ont amené à mettre en place un banc de mesure original pour lequel l’oscillateur se synchronise sur lui-même. En fonction du retard avec lequel le signal émis par l’oscillateur est réinjecté, nous avons pu montrer pour la première fois que la fréquence, la puissance mais aussi la largeur de raie des oscillations peuvent être modulées. / The main goal of this thesis is the understanding of the physical mechanisms and the subsequent control of the properties at the origin of the spin transfer induced magnetic vortex gyrotropic motion in confined systems. In particular the origin of the noise affecting the dynamics has been investigated. This work has been performed with a view to improving the radiofrequency (rf) properties of the so-called Spin Transfer Oscillator (STO).The advantages of such oscillators are their sub-micron size (from few tens to hundreds of nanometres), their compatibility with CMOS technologies and their radiation hardness. Moreover, the magnetization dynamics involved permit a large tunability of frequency as a function of the applied current and a high agility i.e. a fast dynamical response. Nevertheless, several open questions exist regarding the possible optimization of the sustained oscillation conditions and the improvement of the STO power and spectral coherence.The first aspect of my work was to investigate the influence of thermal fluctuations over the sustained vortex core gyrotropic motion. One of the key results of my thesis was to show that the phase noise results from direct phase fluctuations from thermal fluctuations plus amplitude fluctuations converted to phase noise. With an analytical model, we were able to highlight the major role played by the non-linearities of the forces acting on the vortex core. In addition, we were able to measure the characteristic parameters of the oscillator, namely, the speed of frequency response to perturbations as well as the phase-amplitude coupling coefficient.The second important part of my work has been to improve the conditions for obtaining an rf signal. An important result of this work was the measurement of a powerful rf signal in the absence of a magnetic field. The measured powers are a few hundred milliwatts and correspond to low linewidths, ranging from a few hundred kilohertz to a few megahertz. The zero field behaviour was made possible due to the complex structure of the oscillator where the magnetic layer which polarizes the spin current has a perpendicular magnetization, in contrast to the in-plane polarized reference layer.The third step was to optimize the performance of the oscillator. One of the striking results of this thesis is that we measured a record rf output power, up to 3.6 µW, the largest obtained at room temperature for vortex based STOs so far. This high output power results from the development of new FeB based junctions made by the group of Pr. S. Yuasa (AIST, Japan), where the improvement of the quality of the junction allowed us to obtain a magnetoresistance up to 125%.The small size of the oscillator has a cost that is paid in terms of the phase noise. One possible solution that would solve this limitation and enhance the coherence of the oscillations is via mutual synchronization of several STOs through rf currents emitted by each oscillator. Thus, the last stage of my thesis was to study the behaviour of gyrotropic motion when subjected to an alternating current. An important result was to show, through an experimental study in conjunction with an analytical model, the crucial role of the non-linearities and symmetries of the synchronization forces.These various studies have provided us the tools to better understand the dynamics of magnetic vortex and led us to develop an original tester for which the oscillator synchronizes itself with its own rf signal. Depending on the delay at which the oscillator is fed back, we showed for the first time that the frequency, the power and also the linewidth of the oscillations can be modulated.

Le sujet de cette thèse concerne la dynamique auto-entretenue excitée par transfert de spin de vortex couplés, dans des structures de type nano-piliers vannes de spin (Py/Cu/Py). Un premier objectif a été de comprendre les processus de transport polarisé en spin et de transfert de spin associés à des configurations d'aimantation fortement non-homogènes. Cette étude a permis d'identifier et ainsi de précisément contrôler les configurations magnétiques à base de vortex, et en particulier d'observer l'influence du transfert de spin sur les mécanismes de renversement du cœur de vortex. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, nous avons également pu déterminer les conditions sur les paramètres relatifs des deux vortex (chiralités et polarités) pour obtenir des oscillations gyrotropiques couplées auto-entretenues de deux vortex dans un pilier unique. Un cas très intéressant est prévu pour les piliers de plus grands diamètres (typiquement supérieurs à 200nm) pour lesquels le courant critique est réduit potentiellement à zéro. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions sur l'existence d'une dynamique couplée de vortex, avec des largeurs de raies atteignant 200kHz, un record à champ nul (soit un facteur de qualité Q ≈ 5000, un ordre de grandeur plus grand que pour les auto-oscillations de vortex unique) et diminuant même jusqu'à 50kHz sous champ extérieur. Un second objectif de ce travail a été l'étude de la synchronisation de deux auto-oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Nous avons démontré que le verrouillage des phases par couplage dipolaire de deux oscillateurs identiques peut être théoriquement obtenu indépendamment des paramètres des deux vortex. Toutefois un couplage trois fois plus important est prévu dans le cas de vortex de polarités opposées. Du point de vue expérimental, des premiers résultats ont permis de démontrer une faculté de synchronisation de deux oscillateurs présentant un écart en fréquence atteignant jusqu'à 10% de leurs fréquences d'auto-oscillation. Ce travail de thèse, qui s'inscrit dans l'effort de recherche mené pour améliorer les performances rf des nano-oscillateurs à transfert de spin, a permis d'illustrer que l'excitation de modes d'aimantations couplées est une voie à poursuivre dans le but d'aboutir à des largeurs de raies de plus en plus faibles.

L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 µT/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique.

Le sujet de cette thèse concerne la dynamique auto-entretenue excitée par transfert de spin de vortex couplés, dans des structures de type nano-piliers vannes de spin (Py/Cu/Py). Un premier objectif a été de comprendre les processus de transport polarisé en spin et de transfert de spin associés à des configurations d’aimantation fortement non-homogènes. Cette étude a permis d‘identifier et ainsi de précisément contrôler les configurations magnétiques à base de vortex, et en particulier d’observer l’influence du transfert de spin sur les mécanismes de renversement du cœur de vortex. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, nous avons également pu déterminer les conditions sur les paramètres relatifs des deux vortex (chiralités et polarités) pour obtenir des oscillations gyrotropiques couplées auto-entretenues de deux vortex dans un pilier unique. Un cas très intéressant est prévu pour les piliers de plus grands diamètres (typiquement supérieurs à 200nm) pour lesquels le courant critique est réduit potentiellement à zéro. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions sur l’existence d’une dynamique couplée de vortex, avec des largeurs de raies atteignant 200kHz, un record à champ nul (soit un facteur de qualité Q ≈ 5000, un ordre de grandeur plus grand que pour les auto-oscillations de vortex unique) et diminuant même jusqu’à 50kHz sous champ extérieur. Un second objectif de ce travail a été l’étude de la synchronisation de deux auto-oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Nous avons démontré que le verrouillage des phases par couplage dipolaire de deux oscillateurs identiques peut être théoriquement obtenu indépendamment des paramètres des deux vortex. Toutefois un couplage trois fois plus important est prévu dans le cas de vortex de polarités opposées. Du point de vue expérimental, des premiers résultats ont permis de démontrer une faculté de synchronisation de deux oscillateurs présentant un écart en fréquence atteignant jusqu'à 10% de leurs fréquences d'auto-oscillation. Ce travail de thèse, qui s’inscrit dans l’effort de recherche mené pour améliorer les performances rf des nano-oscillateurs à transfert de spin, a permis d’illustrer que l’excitation de modes d’aimantations couplées est une voie à poursuivre dans le but d’aboutir à des largeurs de raies de plus en plus faibles. / My PhD work is dedicated to the spin transfer induced self-sustained dynamics of two coupled vortices, in nano-pillars spin-valves structures (Py/Cu/Py). A first objective was to understand the spin-polarized transport processes as well as spin transfer mechanisms associated to highly non-homogeneous magnetic configurations. This study allows me to identify and then precisely tune the vortex based magnetic configurations, and notably to observe the influence of spin transfer on reversal mechanisms of the vortex core. Combining analytical calculations and micro-magnetic simulations, we determine the conditions on relative parameters for the two vortices (chiralities and polarities) necessary to obtain self-sustained gyrotropic oscillations of the coupled vortices in a single pillar. A very interesting case is predicted for the pillars with larger diameters (typically over 200nm) for which the critical current is reduced to zero. The experimental results confirm the predictions that a coupled dynamics exists with linewidths as narrow as 200kHz, that is a record at zero field (corresponding to a quality factor Q ≈ 5000, an order of magnitude over the self-sustained oscillations of a single vortex), and even down to 50kHz under external field.A second objective was to investigate the synchronization of two vortex based spin transfer oscillators. We demonstrate theoretically that the phase locking through dipolar coupling of two identical oscillators can be achieved for any parameters of the two vortex. However, the coupling is three times stronger when vortices have opposite core polarities. From an experimental point of view, the synchronization capability for two oscillators having a frequency mismatch reaching up to 10 % of the auto-oscillation frequency has been demonstrated. This work, being part of the research effort made to improve the rf properties of spin transfer nano-oscillators emphasizes how the excitation of coupled magnetizations modes is important to reach lower and lower linewidths.

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.

Cette thèse propose de réaliser des micro/nano-pinces magnétiques articulées dont l'actionnement à distance est obtenu par l'application d'un champ magnétique. Cette idée innovante consiste à relier par l'un de leurs côtés deux microparticules magnétiques parallélépipédiques à l'aide d'une nano-charnière en or flexible. Destinées à des applications biotechnologiques et médicales, ces pinces ont pour finalité de capturer des micro/nano-objets ciblés biochimiquement pour y appliquer et mesurer des forces. Le défi de ce projet était de mener, à partir d'une idée simple, un ensemble d'études à la fois théoriques et technologiques, pour aboutir à une première preuve de concept. Dans ce but, un modèle analytique a d'abord été construit pour prédire le comportement magnéto-mécanique des pinces en fonction de divers paramètres physiques. Ensuite, un procédé de fabrication inspiré des techniques de la microélectronique a été développé pour parvenir à la réalisation d'un prototype de pince fonctionnel. Enfin, l'ouverture par l'action d'un champ magnétique de pinces fixées à un substrat, a pu être démontrée à l'aide d'une expérience originale installée dans un microscope électronique à balayage. Les résultats de ces expériences, en bon accord avec nos prédictions théoriques, ont permis de quantifier le comportement mécanique de la nano-charnière en or. Fixées à un substrat, ces pinces forment un réseau de micro-surfaces réfléchissantes qui trouveront des applications en microfluidique (bio-puces) ou en nano-physique. Libérées en solution, les pinces pourraient être employées de manière originale en micro-manipulation d'objets biologiques ou diagnostic et thérapie cellulaire. / The objective of this thesis was to elaborate magnetic micro/nano-tweezers remotely actuable by the application of a magnetic field. This innovative idea consists in binding two parallelepiped magnetic microparticles by one of their sides with a flexible gold nano-hinge. Intended for biotechnological and medical applications, these tweezers aim at capturing biochemically targeted micro/nano-objects, in order to exert forces on them and perform force measurements. In this project starting from a simple idea, the challenge was to carry out theoretical and technological studies leading to a first proof of concept. To this end, an analytical model was first elaborated to predict the magneto-elastic behavior of the tweezers, depending on various physical parameters. Then, a fabrication process inspired from microelectronic techniques was developed to complete a functional prototype of tweezers. Finally, the remote actuation of such tweezers, kept attached to a substrate, by the application of a magnetic field, was demonstrated using an original experiment set up inside a scanning electron microscope. These experiments yielded results in good agreement with our theoretical predictions and allowed the quantification of the gold nano-hinge elastic behavior. Attached to a substrate, these tweezers constitute an array of reflective micro-surfaces, which can find applications in microfluidics (biochips) or in nano-physics. Released in solution, the tweezers could be used in an original way for biological objects micro-manipulation or cell diagnostic and the

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.