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.

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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.

We investigate systems with a mixed phase space, where regular and chaotic dynamics coexist. Classically, regions with regular motion, the regular islands, are dynamically not connected to regions with chaotic motion, the chaotic sea. Typically, this is also reflected in the quantum properties, where eigenstates either concentrate on the regular or the chaotic regions. However, it was shown that quantum mechanically, due to the tunneling process, a coupling is induced and flooding of regular islands may occur. This happens when the Heisenberg time, the time needed to resolve the discrete spectrum, is larger than the tunneling time from the regular region to the chaotic sea. In this case the regular eigenstates disappear. We study this effect by the time evolution of wave packets initially started in the chaotic sea and find increasing probability in the regular island. Using random matrix models a quantitative prediction is derived. We find excellent agreement with numerical data obtained for quantum maps and billiards systems. For open systems we investigate the phenomenon of flooding and disappearance of regular states, where the escape time occurs as an additional time scale. We discuss the reappearance of regular states in the case of strongly opened systems. This is demonstrated numerically for quantum maps and experimentally for a mushroom shaped microwave resonator. The reappearance of regular states is explained qualitatively by a matrix model. / Untersucht werden Systeme mit gemischtem Phasenraum, in denen sowohl reguläre als auch chaotische Dynamik auftritt. In der klassischen Mechanik sind Gebiete regulärer Bewegung, die sogenannten regulären Inseln, dynamisch nicht mit den Gebieten chaotischer Bewegung, der chaotischen See, verbunden. Dieses Verhalten spiegelt sich typischerweise auch in den quantenmechanischen Eigenschaften wider, so dass Eigenfunktionen entweder auf chaotischen oder regulären Gebieten konzentriert sind. Es wurde jedoch gezeigt, dass aufgrund des Tunneleffektes eine Kopplung auftritt und reguläre Inseln geflutet werden können. Dies geschieht wenn die Heisenbergzeit, das heißt die Zeit die das System benötigt, um das diskrete Spektrum aufzulösen, größer als die Tunnelzeit vom Regulären ins Chaotische ist, wobei reguläre Eigenzustände verschwinden. Dieser Effekt wird über eine Zeitentwicklung von Wellenpaketen, die in der chaotischen See gestartet werden, untersucht. Es kommt zu einer ansteigenden Wahrscheinlichkeit in der regulären Insel. Mithilfe von Zufallsmatrixmodellen wird eine quantitative Vorhersage abgeleitet, welche die numerischen Daten von Quantenabbildungen und Billardsystemen hervorragend beschreibt. Der Effekt des Flutens und das Verschwinden regulärer Zustände wird ebenfalls mit offenen Systemen untersucht. Hier tritt die Fluchtzeit als zusätzliche Zeitskala auf. Das Wiederkehren regulärer Zustände im Falle stark geöffneter Systeme wird qualitativ mithilfe eines Matrixmodells erklärt und numerisch für Quantenabbildungen sowie experimentell für einen pilzförmigen Mikrowellenresonator belegt.

Gegenstand dieser Arbeit sind Wellenphänomene in mesoskopischen Ringstrukturen. In Teil I der Arbeit befassen wir uns mit spinabhängigem Transport von Elektronen in effektiv eindimensionalen Ringen in Gegenwart inhomogener Magnetfelder. Wir benutzen die exakten Lösungen der Schrödinger-Gleichung im allgemeinen nicht-adiabatischen Fall in einem Transfer-Matrix-Formalismus und untersuchen Auswirkungen von geometrischen Phasen auf den Magnetwiderstand. Für den Spezialfall eines Magnetfeldes in der Ringebene sagen wir einen interessanten Spin-Flip-Effekt vorher, der die Steuerung der Polarisationsrichtung von Elektronen über einen externen Aharonov-Bohm-Fluß erlaubt. Optische mesoskopische Systeme sind Thema von Teil II dieser Arbeit. Wir betrachten zweidimensionale annulare Strukturen, charakterisiert durch unterschiedliche Brechungsindizes, sowohl im klassischen Bild der geometrischen Optik als auch mit Wellenmethoden auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Insbesondere diskutieren wir erstmals eine Streumatrixbeschreibung optischer Mikroresonatoren und wenden sie auf das dielektrische annulare Billard an. Ein Vergleich der Ergebnisse des Wellen- und Strahlenbildes liefert eine gute Übereinstimmung, jedoch sind im Grenzfall großer Wellenlängen von der Ordnung der Systemabmessungen Korrekturen zum Strahlenbild nötig. Wir zeigen am Beispiel von Fresnel-Gesetzen für gekrümmte Oberflächen erstmals, daß der Goos-Hänchen-Effekt diese Korrekturen quantitativ erfaßt. Ausgehend von der Wellenbeschreibung leiten wir neue analytische Formeln für verallgemeinerte Fresnel-Gesetze für beide möglichen Polarisationsrichtungen ab. Die Anwendung des Strahlenbildes erlaubt eine schlüssige Interpretation eines Experiments mit einer quadrupolaren Glasfaser, außerdem schlagen wir Strahlenkonzepte als Grundlage der Konstruktion von Mikrolasern mit maßgeschneiderten Charakteristika vor. / In this work we investigate wave phenomena in mesoscopic systems using different theoretical approaches. In Part I, we focus on effectively one-dimensional electronic ring structures and address the phenomenon of geometric phases in spin-dependent electronic transport in the presence of non-uniform magnetic fields. In the general non-adiabatic case, exact solutions of the Schrödinger equation are used in a transfer matrix formalism to compute the transmission probability through the ring. In the magneto-conductance we identify clear signatures of interference effects due to geometric phases, for example in rings where the non-uniform field is created by a central micromagnet. For the special case of an in-plane magnetic field we predict an interesting spin-flip effect that allows one to control the spin polarization of electrons by applying an external Aharonov-Bohm flux. Optical mesoscopic systems are the subject of Part II. We consider two-dimensional annular structures characterized by different refractive indices, and apply classical methods from geometric optics as well as wave concepts based on Maxwell's equations. For the first time, an S-matrix approach is successfully employed in the description of resonances in optical microresonators; in particular we propose the dielectric annular billiard as an attractive model system. Comparing ray and wave pictures, we find general agreement, except for large wavelengths of the order of the system size, where corrections to the ray model are necessary. The Goos-Hänchen effect as an extension of the ray picture is shown to quantitatively account for wave modifications of Fresnel's laws due to curved interfaces. We derive novel analytical expressions for the corrected Fresnel formulas for both polarizations of light. Motivated by the successful ray description, we give a conclusive interpretation of a recent filter experiment on a quadrupolar glass fibre, and suggest novel concepts for microresonator-based lasers.

Classical partial transport barriers govern both classical and quantum dynamics of generic Hamiltonian systems. Chaotic eigenstates of quantum systems are known to localize on either side of a partial barrier if the flux connecting the two sides is not resolved by means of Heisenberg's uncertainty. Surprisingly, in open systems, in which orbits can escape, chaotic resonance states exhibit such a localization even if the flux across the partial barrier is quantum mechanically resolved. We explain this using the concept of conditionally invariant measures by introducing a new quantum mechanically relevant class of such fractal measures. We numerically find quantum-to-classical correspondence for localization transitions depending on the openness of the system and on the decay rate of resonance states. Moreover, we show that the number of long-lived chaotic resonance states that localize on one particular side of the partial barrier is described by an individual fractal Weyl law. For a generic phase space, this implies a hierarchy of fractal Weyl laws, one for each region of the hierarchical decomposition of phase space.

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Classical partial transport barriers govern both classical and quantum dynamics of generic Hamiltonian systems. Chaotic eigenstates of quantum systems are known to localize on either side of a partial barrier if the flux connecting the two sides is not resolved by means of Heisenberg's uncertainty. Surprisingly, in open systems, in which orbits can escape, chaotic resonance states exhibit such a localization even if the flux across the partial barrier is quantum mechanically resolved. We explain this using the concept of conditionally invariant measures by introducing a new quantum mechanically relevant class of such fractal measures. We numerically find quantum-to-classical correspondence for localization transitions depending on the openness of the system and on the decay rate of resonance states. Moreover, we show that the number of long-lived chaotic resonance states that localize on one particular side of the partial barrier is described by an individual fractal Weyl law. For a generic phase space, this implies a hierarchy of fractal Weyl laws, one for each region of the hierarchical decomposition of phase space.

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.:Contents ..... v 1 Introduction ..... 1 2 2D mappings ..... 5 2.1 Hamiltonian systems with 1.5 degrees of freedom ..... 5 2.2 The 2D standard map ..... 6 3 Classical dynamics of higher dimensional systems ..... 11 3.1 Coupled standard maps as paradigmatic example ..... 12 Stability of fixed points in 4D maps ..... 13 Center manifolds of elliptic degrees of freedom ..... 13 3.2 Near-integrable systems ..... 15 3.2.1 Analytical description of multidimensional, near-integrable systems ..... 15 Resonance structures in 4D maps ..... 16 3.2.2 Pendulum approximation ..... 18 3.2.3 Normal forms ..... 24 3.2.4 Arnold diffusion and Arnold web ..... 24 3.3 Numerical tools for the analysis of regular and chaotic motion ..... 26 3.3.1 Frequency analysis ..... 26 Aim of the frequency analysis ..... 26 Realizations of the frequency analysis ..... 27 Wavelet transforms ..... 30 3.3.2 Fast Lyapunov indicator ..... 31 3.3.3 Phase-space sections ..... 33 Skew phase-space sections containing invariant eigenspaces ..... 34 3.4 Systems with regular dynamics and a large chaotic sea ..... 35 3.4.1 Designed maps: Map with linear regular region, P_llu ..... 36 Phase space of the designed map with linear regular region ..... 38 FLI values ..... 41 Estimating the size of the regular region ..... 43 3.4.2 Designed maps: Islands with resonances, P_nnc ..... 46 Frequency analysis ..... 46 FLI values and volume of the regular and stochastic region ..... 50 Frequency analysis for rank-2 resonance ..... 52 Phase-space sections at different positions p_1 and p_2 ..... 53 Using color to provide the 4-th coordinate ..... 53 Skew phase-space sections containing invariant eigenspaces ..... 57 Arnold diffusion ..... 58 3.4.3 Generic maps: Coupled standard maps, P_csm ..... 63 FLI values and volume of the regular and stochastic region ..... 63 Analysis of fundamental frequencies ..... 66 Skew phase-space sections containing invariant eigenspaces ..... 69 4 Quantum Mechanics ..... 75 4.1 Quantization of Classical Maps ..... 77 4.2 Eigenstates of the time evolution operator U ..... 79 4.2.1 Eigenstates of P_llu ..... 80 4.2.2 Eigenstates of P_nnc ..... 84 4.2.3 Eigenstates of P_csm ..... 87 4.3 Quantum signatures of the stochastic layer ..... 89 4.3.1 Eigenstates resolving the stochastic layer ..... 90 4.3.2 Wave-packet dynamics into the stochastic layer ..... 94 4.4 Dynamical tunneling rates ..... 98 4.4.1 Numerical calculation of dynamical tunneling rates ..... 99 4.4.2 Direct regular-to-chaotic tunneling rates gamma^d of P_llu ..... 101 4.4.3 Prediction of gamma^d using the fictitious integrable system approach ..... 103 4.4.4 Dynamical tunneling rates of P_nnc ..... 105 4.4.5 Interlude: Theory of resonance assisted tunneling (RAT) ..... 106 4.4.6 Prediction of tunneling rates for P_nnc, RAT ..... 111 Selection rules from nonlinear resonances ..... 111 Energy denominators ..... 114 Estimating the parameters of the pendulum approximation from phase-space properties ..... 116 Prediction ..... 118 4.4.7 Dynamical tunneling rates of P_csm ..... 120 5 Summary and outlook ..... 123 Appendix ..... 125 A Potential of the designed map ..... 125 B Quantum-number assignment-algorithm ..... 128 C Alternate paths due to alternate resonances in the description of RAT ..... 131 D Alternate resonances in the description of RAT leading to different tunneling rates ..... 133 E Tunneling rates of map with nonlinear resonances but uncoupled regular region ..... 133 F Interpolation of quasienergies ..... 135 G 2D Poincar'e map for the pendulum approximation ..... 137 H RAT prediction broken down to single paths ..... 139 I Linearization of the pendulum approximation ..... 140 J Iterative diagonalization schemes for the semiclassical limit ..... 143 Inverse iteration ..... 143 Arnoldi method ..... 144 Lanczos algorithm ..... 144 List of figures ..... 148 Bibliography ..... 163 / 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.:Contents ..... v 1 Introduction ..... 1 2 2D mappings ..... 5 2.1 Hamiltonian systems with 1.5 degrees of freedom ..... 5 2.2 The 2D standard map ..... 6 3 Classical dynamics of higher dimensional systems ..... 11 3.1 Coupled standard maps as paradigmatic example ..... 12 Stability of fixed points in 4D maps ..... 13 Center manifolds of elliptic degrees of freedom ..... 13 3.2 Near-integrable systems ..... 15 3.2.1 Analytical description of multidimensional, near-integrable systems ..... 15 Resonance structures in 4D maps ..... 16 3.2.2 Pendulum approximation ..... 18 3.2.3 Normal forms ..... 24 3.2.4 Arnold diffusion and Arnold web ..... 24 3.3 Numerical tools for the analysis of regular and chaotic motion ..... 26 3.3.1 Frequency analysis ..... 26 Aim of the frequency analysis ..... 26 Realizations of the frequency analysis ..... 27 Wavelet transforms ..... 30 3.3.2 Fast Lyapunov indicator ..... 31 3.3.3 Phase-space sections ..... 33 Skew phase-space sections containing invariant eigenspaces ..... 34 3.4 Systems with regular dynamics and a large chaotic sea ..... 35 3.4.1 Designed maps: Map with linear regular region, P_llu ..... 36 Phase space of the designed map with linear regular region ..... 38 FLI values ..... 41 Estimating the size of the regular region ..... 43 3.4.2 Designed maps: Islands with resonances, P_nnc ..... 46 Frequency analysis ..... 46 FLI values and volume of the regular and stochastic region ..... 50 Frequency analysis for rank-2 resonance ..... 52 Phase-space sections at different positions p_1 and p_2 ..... 53 Using color to provide the 4-th coordinate ..... 53 Skew phase-space sections containing invariant eigenspaces ..... 57 Arnold diffusion ..... 58 3.4.3 Generic maps: Coupled standard maps, P_csm ..... 63 FLI values and volume of the regular and stochastic region ..... 63 Analysis of fundamental frequencies ..... 66 Skew phase-space sections containing invariant eigenspaces ..... 69 4 Quantum Mechanics ..... 75 4.1 Quantization of Classical Maps ..... 77 4.2 Eigenstates of the time evolution operator U ..... 79 4.2.1 Eigenstates of P_llu ..... 80 4.2.2 Eigenstates of P_nnc ..... 84 4.2.3 Eigenstates of P_csm ..... 87 4.3 Quantum signatures of the stochastic layer ..... 89 4.3.1 Eigenstates resolving the stochastic layer ..... 90 4.3.2 Wave-packet dynamics into the stochastic layer ..... 94 4.4 Dynamical tunneling rates ..... 98 4.4.1 Numerical calculation of dynamical tunneling rates ..... 99 4.4.2 Direct regular-to-chaotic tunneling rates gamma^d of P_llu ..... 101 4.4.3 Prediction of gamma^d using the fictitious integrable system approach ..... 103 4.4.4 Dynamical tunneling rates of P_nnc ..... 105 4.4.5 Interlude: Theory of resonance assisted tunneling (RAT) ..... 106 4.4.6 Prediction of tunneling rates for P_nnc, RAT ..... 111 Selection rules from nonlinear resonances ..... 111 Energy denominators ..... 114 Estimating the parameters of the pendulum approximation from phase-space properties ..... 116 Prediction ..... 118 4.4.7 Dynamical tunneling rates of P_csm ..... 120 5 Summary and outlook ..... 123 Appendix ..... 125 A Potential of the designed map ..... 125 B Quantum-number assignment-algorithm ..... 128 C Alternate paths due to alternate resonances in the description of RAT ..... 131 D Alternate resonances in the description of RAT leading to different tunneling rates ..... 133 E Tunneling rates of map with nonlinear resonances but uncoupled regular region ..... 133 F Interpolation of quasienergies ..... 135 G 2D Poincar'e map for the pendulum approximation ..... 137 H RAT prediction broken down to single paths ..... 139 I Linearization of the pendulum approximation ..... 140 J Iterative diagonalization schemes for the semiclassical limit ..... 143 Inverse iteration ..... 143 Arnoldi method ..... 144 Lanczos algorithm ..... 144 List of figures ..... 148 Bibliography ..... 163