Tunneling is a fundamental effect of quantum mechanics, which allows waves to penetrate into regions that are inaccessible by classical dynamics. We study this phenomenon for generic non-integrable systems with a mixed phase space, where tunneling occurs between the classically separated phase-space regions of regular and chaotic motion. We derive a semiclassical prediction for the corresponding tunneling rates from the regular region to the chaotic sea. This prediction is based on paths which connect the regular and the chaotic region in complexified phase space. We show that these complex paths can be constructed despite the obstacle of natural boundaries. For the standard map we demonstrate that tunneling rates can be predicted with high accuracy, by using only a few dominant complex paths. This gives the semiclassical foundation for the long-conjectured and often-observed exponential scaling with Planck's constant of regular-to-chaotic tunneling rates.

Tunneling is a central result of quantum mechanics. It allows quantum particles to enter regions which are inaccessible by classical dynamics. Consequences of the tunneling process are most relevant. For example it causes the alpha-decay of radioactive nuclei and it is argued that proton tunneling is decisive for the emergence of DNA mutations. The theoretical prediction of corresponding tunneling rates is explained in standard textbooks on quantum mechanics for regular systems. Typical physical systems such as atoms or molecules, however, also show chaotic motion. Here the calculation of tunneling rates is more demanding. In this text a selection of articles on the prediction of tunneling rates in systems which allow for regular and chaotic motion is summarized. The presented approach is then used to explain consequences of tunneling on the quantum spectrum, such as the universal power-law behavior of small energy spacings and the flooding of regular states.

Tunneling is a fundamental effect of quantum mechanics, which allows waves to penetrate into regions that are inaccessible by classical dynamics. We study this phenomenon for generic non-integrable systems with a mixed phase space, where tunneling occurs between the classically separated phase-space regions of regular and chaotic motion. We derive a semiclassical prediction for the corresponding tunneling rates from the regular region to the chaotic sea. This prediction is based on paths which connect the regular and the chaotic region in complexified phase space. We show that these complex paths can be constructed despite the obstacle of natural boundaries. For the standard map we demonstrate that tunneling rates can be predicted with high accuracy, by using only a few dominant complex paths. This gives the semiclassical foundation for the long-conjectured and often-observed exponential scaling with Planck's constant of regular-to-chaotic tunneling rates.

Tunneling in 1D describes the effect that quantum particles can penetrate a classically insurmountable potential energy barrier. The extension to classically forbidden transitions in phase space generalizes the tunneling concept. A typical 1D Hamiltonian system has a mixed phase space. It contains regions of regular and chaotic dynamics, the so-called regular islands and the chaotic sea. These different phase space components are classically separated by dynamically generated barriers. Quantum mechanically they are, however, connected by dynamical tunneling. We perform a semiclassical quantization of almost resonance-free regular islands and transporting island chains of quantum maps. This yields so-called quasimodes, which are used for the investigation of direct dynamical tunneling from an almost resonance-free regular island to the chaotic sea. We derive a formula which allows for the determination of dynamical tunneling rates. Good agreement between this analytical prediction and numerical results is found over several orders of magnitude for two example systems. / Der 1D Tunneleffekt bezeichnet das Durchdringen einer klassisch nicht überwindbaren potentiellen Energiebarriere durch Quantenteilchen. Eine Verallgemeinerung des Tunnelbegriffs ist die Erweiterung auf jegliche Art von klassisch verbotenen Übergangsprozessen im Phasenraum. Der Phasenraum eines typischen 1D Hamiltonschen Systems ist gemischt. Er besteht aus Bereichen regulärer und chaotischer Dynamik, den sogenannten regulären Inseln und der chaotischen See. Während diese verschiedenen Phasenraumbereiche klassisch durch dynamisch generierte Barrieren voneinander getrennt sind, existiert quantenmechanisch jedoch eine Verknüpfung durch den dynamischen Tunnelprozess. In dieser Arbeit wird eine semiklassische Quantisierung von praktisch resonanz-freien regulären Inseln und transportierenden Inselketten von Quantenabbildungen durchgeführt. Die daraus folgenden sogenannten Quasimoden werden für die Untersuchung des direkten dynamischen Tunnelns aus einer praktisch resonanz-freien regulären Insel in die chaotische See verwendet, was auf eine Tunnelraten vorhersagende Formel führt. Ihre anschlie?ßende Anwendung auf zwei Modellsysteme zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Numerik und analytischer Vorhersage über viele Größenordnungen.

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre général de la description de l’effet tunnel dans la limite semi classique h → 0. Nous présentons une nouvelle méthode de calcul direct de la largeur des doublets tunnel. L’expression obtenue est basée sur l’utilisation de traces d’opérateurs quantiques, dont l’opérateur d’évolution Û (T)prolongé analytiquement à l’aide d’un temps complexe T. L’étape suivante consiste en un développement semi classique de ces traces. Nous nous plaçons dans le cadre des systèmes intégrables unidimensionnels afin d’insister sur l’importance d’un temps complexe et on montre que le choix d’un chemin du temps [t] adapté, lors du calcul semi classique des traces, fournit un critère de sélection efficace des trajectoires complexes dominantes. Nous verrons que cette approche retrouve la technique des instantons dans la limite d’un temps purement imaginaire et qu’elle permet d’inclure les descriptions, inaccessibles par une rotation de Wick complète, de l’effet tunnel dynamique et résonant. Nous montrons également comment adapter cette méthode au taux de transmission tunnel d’un état localisé dans un minimum local vers un continuum d’états. Enfin, nous proposerons, en guise de perspectives,d’étudier l’effet tunnel résonant à partir de modèles intégrables présentant des îlots stables entourés de chaînes de tores pour lesquels nous tenterons d’adapter la théorie de l’effet tunnel assisté par les résonances. / The present work is developed within the general framework of the description of the tunneling effect in the semiclassical limit h → 0. We introduce a new method for the direct computation of the tunneling splittings. We get a trace formula involving the evolution operator continued in the complex plane using a complex time T. The next step is to obtain semi classical expansion of these traces. Within the framework of one dimensionnalintegrable systems, we show the key role of a complex time. When performing semiclassical calculations, an appropriate complex-time paths provide an efficient criterion in order toselect the dominant complex trajectories involved in the traces. We will show that our approach includes instanton techniques in the limit of a purely imaginary time and describes dynamical tunneling and resonant tunneling for which a complete Wick is not sufficient.We will show also how our method works for the decay rates. Finally, as a perspective,we will study resonant tunneling from integrable models which exhibit prominent islands surrounded by chains of tori. From these models, we will try to apply the theory of resonant assisted tunneling to integrable systems.

Tunneling is a central result of quantum mechanics. It allows quantum particles to enter regions which are inaccessible by classical dynamics. Consequences of the tunneling process are most relevant. For example it causes the alpha-decay of radioactive nuclei and it is argued that proton tunneling is decisive for the emergence of DNA mutations. The theoretical prediction of corresponding tunneling rates is explained in standard textbooks on quantum mechanics for regular systems. Typical physical systems such as atoms or molecules, however, also show chaotic motion. Here the calculation of tunneling rates is more demanding. In this text a selection of articles on the prediction of tunneling rates in systems which allow for regular and chaotic motion is summarized. The presented approach is then used to explain consequences of tunneling on the quantum spectrum, such as the universal power-law behavior of small energy spacings and the flooding of regular states.

Tunneling in 1D describes the effect that quantum particles can penetrate a classically insurmountable potential energy barrier. The extension to classically forbidden transitions in phase space generalizes the tunneling concept. A typical 1D Hamiltonian system has a mixed phase space. It contains regions of regular and chaotic dynamics, the so-called regular islands and the chaotic sea. These different phase space components are classically separated by dynamically generated barriers. Quantum mechanically they are, however, connected by dynamical tunneling. We perform a semiclassical quantization of almost resonance-free regular islands and transporting island chains of quantum maps. This yields so-called quasimodes, which are used for the investigation of direct dynamical tunneling from an almost resonance-free regular island to the chaotic sea. We derive a formula which allows for the determination of dynamical tunneling rates. Good agreement between this analytical prediction and numerical results is found over several orders of magnitude for two example systems. / Der 1D Tunneleffekt bezeichnet das Durchdringen einer klassisch nicht überwindbaren potentiellen Energiebarriere durch Quantenteilchen. Eine Verallgemeinerung des Tunnelbegriffs ist die Erweiterung auf jegliche Art von klassisch verbotenen Übergangsprozessen im Phasenraum. Der Phasenraum eines typischen 1D Hamiltonschen Systems ist gemischt. Er besteht aus Bereichen regulärer und chaotischer Dynamik, den sogenannten regulären Inseln und der chaotischen See. Während diese verschiedenen Phasenraumbereiche klassisch durch dynamisch generierte Barrieren voneinander getrennt sind, existiert quantenmechanisch jedoch eine Verknüpfung durch den dynamischen Tunnelprozess. In dieser Arbeit wird eine semiklassische Quantisierung von praktisch resonanz-freien regulären Inseln und transportierenden Inselketten von Quantenabbildungen durchgeführt. Die daraus folgenden sogenannten Quasimoden werden für die Untersuchung des direkten dynamischen Tunnelns aus einer praktisch resonanz-freien regulären Insel in die chaotische See verwendet, was auf eine Tunnelraten vorhersagende Formel führt. Ihre anschlie?ßende Anwendung auf zwei Modellsysteme zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Numerik und analytischer Vorhersage über viele Größenordnungen.

Für das Verständnis einer Vielzahl von Problemen von der Himmelsmechanik bis hin zur Beschreibung von Molekülen spielen Systeme mit mehr als zwei Freiheitsgraden eine entscheidende Rolle. Aufgrund der Dimensionalität gestaltet sich ein Verständnis dieser Systeme jedoch deutlich schwieriger als bei Systemen mit zwei oder weniger Freiheitsgraden. Die vorliegende Arbeit soll zum besseren Verständnis der klassischen und quantenmechanischen Eigenschaften getriebener Systeme mit zwei Freiheitsgraden beitragen. Hierzu werden dreidimensionale Schnitte durch den Phasenraum von 4D Abbildungen betrachtet. Anhand dreier Beispiele, deren Phasenräume zunehmend kompliziert sind, werden diese 3D Schnitte vorgestellt und untersucht. In einer sich anschließenden quantenmechanischen Untersuchung gehen wir auf zwei wichtige Aspekte ein. Zum einen untersuchen wir die quantenmechanischen Signaturen des klassischen "Arnold Webs". Es wird darauf eingegangen, wie die Quantenmechanik dieses Netz im semiklassischen Limes auflösen kann. Darüberhinaus widmen wir uns dem wichtigen Aspekt quantenmechanischer Kopplungen klassisch getrennter Phasenraumgebiete anhand der Untersuchung dynamischer Tunnelraten. Für diese wenden wir sowohl den in der Literatur bekannten "fictitious integrable system approach" als auch die Theorie des resonanz-unterstützen Tunnelns auf 4D Abbildungen an. / Systems with more than two degrees of freedom are of fundamental importance for the understanding of problems ranging from celestial mechanics to molecules. Due to the dimensionality the classical phase-space structure of such systems is more difficult to understand than for systems with two or fewer degrees of freedom. This thesis aims for a better insight into the classical as well as the quantum mechanics of 4D mappings representing driven systems with two degrees of freedom. In order to analyze such systems, we introduce 3D sections through the 4D phase space which reveal the regular and chaotic structures. We introduce these concepts by means of three example mappings of increasing complexity. After a classical analysis the systems are investigated quantum mechanically. We focus especially on two important aspects: First, we address quantum mechanical consequences of the classical Arnold web and demonstrate how quantum mechanics can resolve this web in the semiclassical limit. Second, we investigate the quantum mechanical tunneling couplings between regular and chaotic regions in phase space. We determine regular-to-chaotic tunneling rates numerically and extend the fictitious integrable system approach to higher dimensions for their prediction. Finally, we study resonance-assisted tunneling in 4D maps.

Tunneling is one of the most prominent features of quantum mechanics. While the tunneling process in one-dimensional integrable systems is well understood, its quantitative prediction for systems with mixed phase space is a long-standing open challenge. In such systems regions of regular and chaotic dynamics coexist in phase space, which are classically separated but quantum mechanically coupled by the process of dynamical tunneling. We derive a prediction of dynamical tunneling rates which describe the decay of states localized inside the regular region towards the so-called chaotic sea. This approach uses a fictitious integrable system which mimics the dynamics inside the regular domain and extends it into the chaotic region. Excellent agreement with numerical data is found for kicked systems, billiards, and optical microcavities, if nonlinear resonances are negligible. Semiclassically, however, such nonlinear resonance chains dominate the tunneling process. Hence, we combine our approach with an improved resonance-assisted tunneling theory and derive a unified prediction which is valid from the quantum to the semiclassical regime. We obtain results which show a drastically improved accuracy of several orders of magnitude compared to previous studies. / Der Tunnelprozess ist einer der bedeutensten Effekte in der Quantenmechanik. Während das Tunneln in eindimensionalen integrablen Systemen gut verstanden ist, gestaltet sich dessen Beschreibung für Systeme mit gemischtem Phasenraum weitaus schwieriger. Solche Systeme besitzen Gebiete regulärer und chaotischer Bewegung, die klassisch getrennt sind, aber quantenmechanisch durch den Prozess des dynamischen Tunnelns gekoppelt werden. In dieser Arbeit wird eine theoretische Vorhersage für dynamische Tunnelraten abgeleitet, die den Zerfall von Zuständen, die im regulären Gebiet lokalisiert sind, in die sogenannte chaotische See beschreibt. Dazu wird ein fiktives integrables System konstruiert, das im regulären Bereich eine nahezu gleiche Dynamik aufweist und diese Dynamik in das chaotische Gebiet fortsetzt. Die Theorie zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit numerischen Daten für gekickte Systeme, Billards und optische Mikrokavitäten, falls nichtlineare Resonanzketten vernachlässigbar sind. Semiklassisch jedoch bestimmen diese nichtlinearen Resonanzketten den Tunnelprozess. Daher kombinieren wir unseren Zugang mit einer verbesserten Theorie des Resonanz-unterstützten Tunnelns und erhalten eine Vorhersage,die vom Quanten- bis in den semiklassischen Bereich gültig ist. Ihre Resultate zeigen eine Genauigkeit, die verglichen mit früheren Theorien um mehrere Größenordnungen verbessert wurde.

Generic Hamiltonian systems have a mixed phase space, where classically disjoint regions of regular and chaotic motion coexist. For many applications it is useful to approximate the regular dynamics of such a mixed system H by an integrable approximation Hreg. We present a new, iterative method to construct such integrable approximations. The method is based on the construction of an integrable approximation in action representation which is then improved in phase space by iterative applications of canonical transformations. In contrast to other known approaches, our method remains applicable to strongly non-integrable systems H. We present its application to 2D maps and 2D billiards. Based on the obtained integrable approximations we finally discuss the theoretical description of dynamical tunneling in mixed systems. / Typische Hamiltonsche Systeme haben einen gemischten Phasenraum, in dem disjunkte Bereiche klassisch regulärer und chaotischer Dynamik koexistieren. Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig, die reguläre Dynamik eines solchen gemischten Systems H durch eine integrable Näherung Hreg zu beschreiben. Wir stellen eine neue, iterative Methode vor, um solche integrablen Näherungen zu konstruieren. Diese Methode basiert auf der Konstruktion einer integrablen Näherung in Winkel-Wirkungs-Variablen, die im Phasenraum durch iterative Anwendungen kanonischer Transformationen verbessert wird. Im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren bleibt unsere Methode auch auf stark nichtintegrable Systeme H anwendbar. Wir demonstrieren sie anhand von 2D-Abbildungen und 2D-Billards. Mit den gewonnenen integrablen Näherungen diskutieren wir schließlich die theoretische Beschreibung von dynamischem Tunneln in gemischten Systemen.