Applications of finite geometries to designs and codes

This dissertation concerns the intersection of three areas of discrete mathematics: finite geometries, design theory, and coding theory. The central theme is the power of finite geometry designs, which are constructed from the points and t-dimensional subspaces of a projective or affine geometry. We use these designs to construct and analyze combinatorial objects which inherit their best properties from these geometric structures. A central question in the study of finite geometry designs is Hamada’s conjecture, which proposes that finite geometry designs are the unique designs with minimum p-rank among all designs with the same parameters. In this dissertation, we will examine several questions related to Hamada’s conjecture, including the existence of counterexamples. We will also study the applicability of certain decoding methods to known counterexamples. We begin by constructing an infinite family of counterexamples to Hamada’s conjecture. These designs are the first infinite class of counterexamples for the affine case of Hamada’s conjecture. We further demonstrate how these designs, along with the projective polarity designs of Jungnickel and Tonchev, admit majority-logic decoding schemes. The codes obtained from these polarity designs attain error-correcting performance which is, in certain cases, equal to that of the finite geometry designs from which they are derived. This further demonstrates the highly geometric structure maintained by these designs. Finite geometries also help us construct several types of quantum error-correcting codes. We use relatives of finite geometry designs to construct infinite families of q-ary quantum stabilizer codes. We also construct entanglement-assisted quantum error-correcting codes (EAQECCs) which admit a particularly efficient and effective error-correcting scheme, while also providing the first general method for constructing these quantum codes with known parameters and desirable properties. Finite geometry designs are used to give exceptional examples of these codes

Configurations and colouring problems in block designs

A Steiner triple system of order v (STS(v)) is called x-chromatic if x is the smallest number of colours needed to avoid monochromatic blocks. Amongst our results on colour class structures we show that every STS (19) is 3- or 4-chromatic, that every 3-chromatic STS(19) has an equitable 3-colouring (meaning that the colours are as uniformly distributed as possible), and that for all admissible v > 25 there exists a 3-chromatic STS(v) which does not admit an equitable 3-colouring. We obtain a formula for the number of independent sets in an STS(v) and use it to show that an STS(21) must contain eight independent points. This leads to a simple proof that every STS(21) is 3- or 4-chromatic. Substantially extending existing tabulations, we provide an enumeration of STS trades of up to 12 blocks, and as an application we show that any pair of STS(15)s must be 3-1-isomorphic. We prove a general theorem that enables us to obtain formulae for the frequencies of occurrence of configurations in triple systems. Some of these are used in our proof that for v > 25 no STS(u) has a 3-existentially closed block intersection graph. Of specific interest in connection with a conjecture of Erdos are 6-sparse and perfect Steiner triple systems, characterized by the avoidance of specific configurations. We describe two direct constructions that produce 6-sparse STS(v)s and we give a recursive construction that preserves 6-sparseness. Also we settle an old question concerning the occurrence of perfect block transitive Steiner triple systems. Finally, we consider Steiner 5(2,4, v) designs that are built from collections of Steiner triple systems. We solve a longstanding problem by constructing such systems with v = 61 (Zoe’s design) and v = 100 (the design of the century)

Molecular aggregation of thiols and alcohols: study of non-covalent interactions by microwave spectroscopy

El estudio y comprensión de las interacciones no covalentes a nivel molecular es un campo que está en continuo desarrollo y cobra vital importancia para determinar el comportamiento estructural de muchas moléculas de interés químico, tecnológico o biológico. En esta tésis doctoral se han analizado las interacciones intermoleculares implicadas en la formación de agregados moleculares neutros, tanto dímeros como productos de microsolvatación, en fase gas. Los complejos intermoleculares se han generado mediante expansiones supersónicas pulsadas, caracterizándose posteriormente mediante espectroscopía de rotación. Este trabajo ha utilizado dos técnicas espectroscópicas, incluyendo un espectrómetro de microondas con transformada de Fourier (FTMW) de tipo Balle-Flygare en el rango de frecuencias 8-20 GHz, y un espectrómetro de transformada de Fourier de banda ancha con excitación multifrecuencia (CP-FTMW) cubriendo el rango espectral de 2-8 GHz. Los complejos intermoleculares estudiados han incluido moléculas con grupos alcohol y/o tiol, con objeto de analizar las diferencias entre las interacciones intermoleculares que implican átomos de oxígeno o azufre, en especial el enlace de hidrógeno. Se han estudiado moléculas incluyendo tanto sistemas cíclicos alifáticos (ciclohexanol, ciclohexanotiol) como aromáticos (furfuril alcohol, furfuril mercaptano, tienil alcohol, tienil mercaptano). Los enlaces de hidrógeno analizados han comprendido especialmente interacciones de tipo O-H···O, O-H···S y S-H···S. La formación de los complejos intermoleculares ha revelado en algunos de ellos una gran variedad conformacional, como la observación de seis isómeros del dímero de ciclohexanol. En el caso de los monohidratos se han observado en algunos casos desdoblamientos asociados a movimientos internos de gran amplitud, como la rotación de la molécula de agua en los monohidratos de ciclohexanol y tienil mercaptano. En los casos de moléculas quirales la dimerización ha permitido observar la estabilidad relativa de los diastereoisómeros homo o heteroquirales. El estudio experimental se ha completado con diferentes cálculos teóricos de orbitales moleculares, en especial teoría del funcional de la densidad, a fin de caracterizar las interacciones estructuralmente, energéticamente y mediante análisis topológico de la densidad electrónica. El conjunto de datos experimentales y teóricos permite aumentar la información existente sobre enlaces de hidrógeno con átomos de azufre, generalmente poco estudiados, y su comparación con los análogos oxigenados.The study and understanding of non-covalent interactions at molecular level is a field in continuous development and essential to determine the structural behavior of many molecules of chemical, technological or biological interest. In this PhD thesis, the intermolecular interactions involved in the formation of neutral molecular aggregates, both dimers and microsolvation products, have been analyzed in the gas phase. The intermolecular complexes were generated by pulsed supersonic expansions, and later characterized by rotational spectroscopy. This work has used two spectroscopic techniques, including a Balle-Flygare Fourier-Transform Microwave (FTMW) spectrometer in the 8-20 GHz frequency range, and a broadband Chirped-Pulse Fourier Transform Microwave (CP-FTMW) spectrometer covering the 2-8GHz spectral range. The intermolecular complexes studied have included molecules with alcohol and / or thiol groups, in order to analyze the differences between the intermolecular interactions involving oxygen or sulfur atoms, especially hydrogen bonds. Molecules that comprise both aliphatic (cyclohexanol) and aromatic (furfuryl alcohol, furfuryl mercaptan, thenyl alcohol, thenyl mercaptan) ring systems have been studied. The analyzed hydrogen bonds included especially O-H···O, O-H···S and S-H···S interactions. The formation of intermolecular complexes has revealed a great conformational diversity in some of them, such as the observation of six isomers of the cyclohexanol dimer. With regard to the monohydrates, tunnelling splittings associated with internal large amplitude motions have been observed in some cases, such as the rotation of the water molecule in the monohydrates of cyclohexanol, thenyl alcohol and thenyl mercaptan. In the case of chiral molecules, dimerization has made it possible to observe the relative stability of homo- or heterochiral diastereoisomers. The experimental study has been supported by different theoretical molecular orbital calculations, in particular Density Functional Theory (DFT) calculations, in order to characterize the interactions structurally, energetically and by a topological analysis of electron density. The set of experimental and theoretical data will advance the existing information on hydrogen bonds involving sulfur atoms, generally scarcely studied, and their comparison with the oxygenated analogues.Departamento de Química Física y Química InorgánicaDoctorado en Físic

Present and Future of Gravitational Wave Astronomy

The first detection on Earth of a gravitational wave signal from the coalescence of a binary black hole system in 2015 established a new era in astronomy, allowing the scientific community to observe the Universe with a new form of radiation for the first time. More than five years later, many more gravitational wave signals have been detected, including the first binary neutron star coalescence in coincidence with a gamma ray burst and a kilonova observation. The field of gravitational wave astronomy is rapidly evolving, making it difficult to keep up with the pace of new detector designs, discoveries, and astrophysical results. This Special Issue is, therefore, intended as a review of the current status and future directions of the field from the perspective of detector technology, data analysis, and the astrophysical implications of these discoveries. Rather than presenting new results, the articles collected in this issue will serve as a reference and an introduction to the field. This Special Issue will include reviews of the basic properties of gravitational wave signals; the detectors that are currently operating and the main sources of noise that limit their sensitivity; planned upgrades of the detectors in the short and long term; spaceborne detectors; a data analysis of the gravitational wave detector output focusing on the main classes of detected and expected signals; and implications of the current and future discoveries on our understanding of astrophysics and cosmology

High-resolution broadband rotational spectroscopy and electrical discharge experiments of astrochemically relevant molecules

Since the discovery of molecules in the interstellar medium in the 1960s, the quest to fully characterise the chemical inventory of interstellar space has resulted in the detection of over 200 distinct molecules. This has been achieved through the combined efforts of laboratory spectroscopy and observational astronomy. Advances in the field of radio astronomy, in particular with the increased sensitivity, widened frequency bandwidth of operation, and higher angular resolution of facilities such as the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, is producing a high throughput of data of unprecedented quality. In order to analyse this data, and, in turn, to address questions surrounding molecular complexity and chemical evolution in space, there needs to be concurrent progress in the field of high-resolution laboratory spectroscopy. Rotational spectroscopy is a uniquely suited technique for providing data that enables searches for molecules in the interstellar medium. The experimentally recorded transition frequencies, or the line frequencies predicted from the rotational constants derived from spectral analysis, are used to identify molecular species in observational spectra. Rotational spectroscopy is a high-resolution, highly sensitive technique from which structural data about the probed molecules can be obtained. In fact, the fingerprint nature of the technique facilitates the unambiguous conformer- and isotopologue-specific laboratory assignment and interstellar observation of studied molecules. The spectrometers used throughout this work are the Hamburg COMPACT Spectrometer (2-18 GHz), the 18-26 GHz Spectrometer, and a W-band Spectrometer (75-110 GHz) from BrightSpec, Inc. The operating ranges overlap with a number of observational facilities, putting the data presented here at the forefront of experimental astrochemistry and radio astronomy. The necessary laboratory data to perform observational searches for a number of nitrogen- and oxygen-containing astrochemically relevant molecules is delivered in this thesis. The pure rotational spectra of the vibronic ground state of iso-propyl cyanide, the six lowest energy conformers of 1,2-propanediol, two, four, three, and seven ground state conformers of alaninol, valinol, leucinol, and isoleucinol, respectively, and the ground state of imidazole were assigned. The resulting line lists and rotational constants are the most precise descriptions of these molecules available to date, and they can be used for comparison to observational spectra. Further to this, because of the assignment of isotopologues in natural abundance, extensive structural information is obtained for the molecules studied. The room-temperature experiments performed on the W-band spectrometer allowed for the assignment of low-lying vibrationally excited states, which, if detected in the interstellar medium, can act as probes of the region’s physical conditions. The laboratory data has been used to search for some of the studied species to-wards the giant molecular cloud Sagittarius B2. Searches for the vibrational states of iso-propyl cyanide in the Re-exploring Molecular Complexity with ALMAline survey of Sagittarius B2(N2b) revealed the presence of the four lowest energy states ν30, ν29, ν17, and ν16. The detected line profiles could be accurately described using local thermodynamic conditions at 150 K. Imidazole was searched for in the Exploring Molecular Complexity with ALMA observational data set towards Sagittarius B2(N), and the ring structure was not detected towards the region. A search towards the Taurus Molecular Cloud, where the aromatic molecule benzonitrile was previously detected, is suggested. Further, an electrical discharge nozzle was implemented and optimised on theW-band spectrometer. Performing electrical discharge experiments will not only permit the characterisation of reactive species and new molecules, but also allow for the consideration of formation pathways and mechanisms to these molecules from the precursors used. The discharge of acetaldehyde was shown to produce the formyl radical, ketene, propyne, acrolein, and acetone. Mapping the distributions of these species in molecular clouds, something which is possible thanks to the high spatial resolution of observational data sets, can ascertain whether these laboratory determined reaction pathways are relevant for interstellar chemistry. Experimental modifications to promote the detection of products that incorporate functional groups from multiple precursors is also discussed. The data presented in this thesis will enable searches for the studied molecules in the interstellar medium, and in the case of the amino alcohols, this could establish a new class of interstellar molecule. Detections of these molecules will increase the knowledge of the complexity of interstellar space. The simultaneous mapping of the spatial distributions of molecules and their potential precursors, which can be guided by the results of electrical discharge experiments, will contribute to the understanding of the chemistry occurring in these extraterrestrial environments.Seit der Entdeckung der ersten Moleküle im interstellaren Raum in den 1960er Jahren hat das Bestreben, das chemische Inventar des interstellaren Raums vollständig zu charakterisieren, zum Nachweis von über 200 verschiedenen Molekülen geführt. Dies wurde durch die kombinierten Anstrengungen von Laborspektroskopie und Teleskopbeobachtungen erreicht. Fortschritte auf dem Gebiet der Radioastronomie, insbesondere mit der erhöhten Empfindlichkeit, der erweiterten Frequenzbandbreite und der höheren Winkelauflösung von Einrichtungen wie dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, führen zu einem hohen Datendurchsatz von beispielloser Qualität. Um diese Daten zu analysieren und damit Fragen der molekularen Komplexität und der chemischen Entwicklung im Weltraum zu beantworten, sind gleichzeitig Fortschritte auf dem Gebiet der hochauflösenden Laborspektroskopie erforderlich. Die Rotationsspektroskopie eignet sich hervorragend zur Bereitstellung von Daten, die die Suche nach Molekülen im interstellaren Raum ermöglichen. Die experimentell gewonnenen Übergangsfrequenzen oder die Linienfrequenzen, die aus den experimentell bestimmten Rotationskonstanten vorhergesagt werden, werden zur Identifizierung von Molekülspezies in Spektren aus radioastronomischen Beobachtungen verwendet. Die Rotationsspektroskopie ist eine hochauflösende, hochempfindliche Technik, mit der auch Strukturdaten über die untersuchten Moleküle gewonnen werden können. Tatsächlich erleichtert diese fingerabdruckartige Technologie die eindeutige konformeren- und isotopologenspezifische Identifikation im Labor und nachfolgend die interstellare Beobachtung der untersuchten Moleküle. Die in dieser Arbeit verwendeten Spektrometer sind das Hamburger COMPACT-Spektrometer (2-18 GHz), das 18-26 GHz-Spektrometer und ein W-Band-Spektrometer (75-110 GHz) von BrightSpec, Inc. Die abgedeckten Frequenzbereiche der Spektrometer überlappen mit einer Reihe von Radioteleskopen, so dass die hier vorgestellten Daten für eine Weiterentwicklung der Astrochemie und Radioastronomie von großer Relevanz sind. In dieser Arbeit werden die erforderlichen Labordaten für eine erfolgreiche Suche nach einer Reihe von stickstoff- und sauerstoffhaltigen, astrochemisch relevanten Molekülen geliefert. Es wurden die reinen Rotationsspektren des vibronischen Grundzustandes von iso-Propylcyanid, die sechs niederenergetischen Konformere von 1,2-Propandiol, zwei, vier, drei und sieben Grundzustandskonformere von Alaninol, Valinol, Leucinol bzw. Isoleucinol und der Grundzustand von Imidazol zugeordnet. Die daraus resultierenden Linienlisten und Rotationskonstanten sind die präzisesten Beschreibungen dieser Moleküle, die bisher verfügbar sind, und sie können zum Vergleich mit radioastronomischen Spektren verwendet werden. Darüber hinaus erhält man durch die Zuordnung von Isotopologen in natürlicher Häufigkeit umfangreiche Strukturinformationen für die untersuchten Moleküle. Die mit dem W-Band-Spektrometer durchgeführten Raumtemperaturexperimente erlaubten die Zuordnung tiefliegender schwingungsangeregter Zustände, die, wenn sie im interstellaren Raum detektiert werden, als Sonden für die physikalischen Bedingungen der Region dienen können. Die Labordaten wurden zur Suche nach einigen der untersuchten Moleküle in Richtung der riesigen Molekülwolke Sagittarius B2 verwendet. Die Suche nach den Schwingungszuständen voniso-Propylcyanid in der ”Re-exploring Molecular Complexity with ALMA”-Suche von Sagittarius B2(N2b) ergab das Vorhandensein der vier niedrigsten Schwingungszustände ν30, ν29, ν17, und ν16. Die entdeckten Linienprofile konnten mit Hilfe der lokalen thermodynamischen Bedingungen bei 150K genau beschrieben werden. Nach Imidazol wurde im ”Exploring Molecular Complexity with ALMA”-Beobachtungsdatensatz in Richtung Sagittarius B2(N) gesucht, allerdings konnte diese Ringstruktur bisher nicht nachgewiesen werden. Eine Suche in Richtung der Taurus-Molekülwolke, wo zuvor das aromatische Molekül Benzonitril nachgewiesen wurde, wird vorgeschlagen. Weiterhin wurde eine elektrische Entladungsdüse implementiert und am W-Band-Spektrometer optimiert. Die Durchführung elektrischer Entladungsexperimente wird nicht nur die Charakterisierung reaktiver Spezies und neuer Moleküle, sondern auch die Analyse von Bildungswegen und -mechanismen dieser Moleküle aus den verwendeten Vorläufermolekülen ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Entladung von Acetaldehyd das Formylradikal, Keten, Propin, Acrolein und Aceton entstehen. Durch die Kartierung der Verteilungen dieser Spezies in Molekülwolken, die dank der hohen räumlichen Auflösung der Beobachtungsdatensätze heutzutage möglich ist, kann im Prinzip festgestellt werden, ob diese im Labor ermittelten Reaktionswege für die interstellare Chemie relevant sind. Experimentelle Modifikationen für einen verbesserten Nachweis von Produkten, die funktionelle Gruppen aus mehreren Vorläufermolekülen enthalten, werden ebenfalls diskutiert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten ermöglichen die Suche nach den untersuchten Molekülen im interstellaren Raum und könnten im Falle der Aminoalkohole eine neue Klasse interstellarer Moleküle etablieren. Der Nachweis dieser Moleküle wird das Wissen über die Komplexität des interstellaren Raums erweitern. Die gleichzeitige Kartierung der räumlichen Verteilung der Moleküle und ihrer potentiellen Vorläufer, die sich an den Ergebnissen von Experimenten mit elektrischen Entladungen orientieren kann, wird zum Verständnis der in diesen extraterrestrischen Umgebungen auftretenden Chemie beitragen

High-resolution broadband rotational spectroscopy and electrical discharge experiments of astrochemically relevant molecules

Since the discovery of molecules in the interstellar medium in the 1960s, the quest to fully characterise the chemical inventory of interstellar space has resulted in the detection of over 200 distinct molecules. This has been achieved through the combined efforts of laboratory spectroscopy and observational astronomy. Advances in the field of radio astronomy, in particular with the increased sensitivity, widened frequency bandwidth of operation, and higher angular resolution of facilities such as the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, is producing a high throughput of data of unprecedented quality. In order to analyse this data, and, in turn, to address questions surrounding molecular complexity and chemical evolution in space, there needs to be concurrent progress in the field of high-resolution laboratory spectroscopy. Rotational spectroscopy is a uniquely suited technique for providing data that enables searches for molecules in the interstellar medium. The experimentally recorded transition frequencies, or the line frequencies predicted from the rotational constants derived from spectral analysis, are used to identify molecular species in observational spectra. Rotational spectroscopy is a high-resolution, highly sensitive technique from which structural data about the probed molecules can be obtained. In fact, the fingerprint nature of the technique facilitates the unambiguous conformer- and isotopologue-specific laboratory assignment and interstellar observation of studied molecules. The spectrometers used throughout this work are the Hamburg COMPACT Spectrometer (2-18 GHz), the 18-26 GHz Spectrometer, and a W-band Spectrometer (75-110 GHz) from BrightSpec, Inc. The operating ranges overlap with a number of observational facilities, putting the data presented here at the forefront of experimental astrochemistry and radio astronomy. The necessary laboratory data to perform observational searches for a number of nitrogen- and oxygen-containing astrochemically relevant molecules is delivered in this thesis. The pure rotational spectra of the vibronic ground state of iso-propyl cyanide, the six lowest energy conformers of 1,2-propanediol, two, four, three, and seven ground state conformers of alaninol, valinol, leucinol, and isoleucinol, respectively, and the ground state of imidazole were assigned. The resulting line lists and rotational constants are the most precise descriptions of these molecules available to date, and they can be used for comparison to observational spectra. Further to this, because of the assignment of isotopologues in natural abundance, extensive structural information is obtained for the molecules studied. The room-temperature experiments performed on the W-band spectrometer allowed for the assignment of low-lying vibrationally excited states, which, if detected in the interstellar medium, can act as probes of the region’s physical conditions. The laboratory data has been used to search for some of the studied species to-wards the giant molecular cloud Sagittarius B2. Searches for the vibrational states of iso-propyl cyanide in the Re-exploring Molecular Complexity with ALMAline survey of Sagittarius B2(N2b) revealed the presence of the four lowest energy states ν30, ν29, ν17, and ν16. The detected line profiles could be accurately described using local thermodynamic conditions at 150 K. Imidazole was searched for in the Exploring Molecular Complexity with ALMA observational data set towards Sagittarius B2(N), and the ring structure was not detected towards the region. A search towards the Taurus Molecular Cloud, where the aromatic molecule benzonitrile was previously detected, is suggested. Further, an electrical discharge nozzle was implemented and optimised on theW-band spectrometer. Performing electrical discharge experiments will not only permit the characterisation of reactive species and new molecules, but also allow for the consideration of formation pathways and mechanisms to these molecules from the precursors used. The discharge of acetaldehyde was shown to produce the formyl radical, ketene, propyne, acrolein, and acetone. Mapping the distributions of these species in molecular clouds, something which is possible thanks to the high spatial resolution of observational data sets, can ascertain whether these laboratory determined reaction pathways are relevant for interstellar chemistry. Experimental modifications to promote the detection of products that incorporate functional groups from multiple precursors is also discussed. The data presented in this thesis will enable searches for the studied molecules in the interstellar medium, and in the case of the amino alcohols, this could establish a new class of interstellar molecule. Detections of these molecules will increase the knowledge of the complexity of interstellar space. The simultaneous mapping of the spatial distributions of molecules and their potential precursors, which can be guided by the results of electrical discharge experiments, will contribute to the understanding of the chemistry occurring in these extraterrestrial environments.Seit der Entdeckung der ersten Moleküle im interstellaren Raum in den 1960er Jahren hat das Bestreben, das chemische Inventar des interstellaren Raums vollständig zu charakterisieren, zum Nachweis von über 200 verschiedenen Molekülen geführt. Dies wurde durch die kombinierten Anstrengungen von Laborspektroskopie und Teleskopbeobachtungen erreicht. Fortschritte auf dem Gebiet der Radioastronomie, insbesondere mit der erhöhten Empfindlichkeit, der erweiterten Frequenzbandbreite und der höheren Winkelauflösung von Einrichtungen wie dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, führen zu einem hohen Datendurchsatz von beispielloser Qualität. Um diese Daten zu analysieren und damit Fragen der molekularen Komplexität und der chemischen Entwicklung im Weltraum zu beantworten, sind gleichzeitig Fortschritte auf dem Gebiet der hochauflösenden Laborspektroskopie erforderlich. Die Rotationsspektroskopie eignet sich hervorragend zur Bereitstellung von Daten, die die Suche nach Molekülen im interstellaren Raum ermöglichen. Die experimentell gewonnenen Übergangsfrequenzen oder die Linienfrequenzen, die aus den experimentell bestimmten Rotationskonstanten vorhergesagt werden, werden zur Identifizierung von Molekülspezies in Spektren aus radioastronomischen Beobachtungen verwendet. Die Rotationsspektroskopie ist eine hochauflösende, hochempfindliche Technik, mit der auch Strukturdaten über die untersuchten Moleküle gewonnen werden können. Tatsächlich erleichtert diese fingerabdruckartige Technologie die eindeutige konformeren- und isotopologenspezifische Identifikation im Labor und nachfolgend die interstellare Beobachtung der untersuchten Moleküle. Die in dieser Arbeit verwendeten Spektrometer sind das Hamburger COMPACT-Spektrometer (2-18 GHz), das 18-26 GHz-Spektrometer und ein W-Band-Spektrometer (75-110 GHz) von BrightSpec, Inc. Die abgedeckten Frequenzbereiche der Spektrometer überlappen mit einer Reihe von Radioteleskopen, so dass die hier vorgestellten Daten für eine Weiterentwicklung der Astrochemie und Radioastronomie von großer Relevanz sind. In dieser Arbeit werden die erforderlichen Labordaten für eine erfolgreiche Suche nach einer Reihe von stickstoff- und sauerstoffhaltigen, astrochemisch relevanten Molekülen geliefert. Es wurden die reinen Rotationsspektren des vibronischen Grundzustandes von iso-Propylcyanid, die sechs niederenergetischen Konformere von 1,2-Propandiol, zwei, vier, drei und sieben Grundzustandskonformere von Alaninol, Valinol, Leucinol bzw. Isoleucinol und der Grundzustand von Imidazol zugeordnet. Die daraus resultierenden Linienlisten und Rotationskonstanten sind die präzisesten Beschreibungen dieser Moleküle, die bisher verfügbar sind, und sie können zum Vergleich mit radioastronomischen Spektren verwendet werden. Darüber hinaus erhält man durch die Zuordnung von Isotopologen in natürlicher Häufigkeit umfangreiche Strukturinformationen für die untersuchten Moleküle. Die mit dem W-Band-Spektrometer durchgeführten Raumtemperaturexperimente erlaubten die Zuordnung tiefliegender schwingungsangeregter Zustände, die, wenn sie im interstellaren Raum detektiert werden, als Sonden für die physikalischen Bedingungen der Region dienen können. Die Labordaten wurden zur Suche nach einigen der untersuchten Moleküle in Richtung der riesigen Molekülwolke Sagittarius B2 verwendet. Die Suche nach den Schwingungszuständen voniso-Propylcyanid in der ”Re-exploring Molecular Complexity with ALMA”-Suche von Sagittarius B2(N2b) ergab das Vorhandensein der vier niedrigsten Schwingungszustände ν30, ν29, ν17, und ν16. Die entdeckten Linienprofile konnten mit Hilfe der lokalen thermodynamischen Bedingungen bei 150K genau beschrieben werden. Nach Imidazol wurde im ”Exploring Molecular Complexity with ALMA”-Beobachtungsdatensatz in Richtung Sagittarius B2(N) gesucht, allerdings konnte diese Ringstruktur bisher nicht nachgewiesen werden. Eine Suche in Richtung der Taurus-Molekülwolke, wo zuvor das aromatische Molekül Benzonitril nachgewiesen wurde, wird vorgeschlagen. Weiterhin wurde eine elektrische Entladungsdüse implementiert und am W-Band-Spektrometer optimiert. Die Durchführung elektrischer Entladungsexperimente wird nicht nur die Charakterisierung reaktiver Spezies und neuer Moleküle, sondern auch die Analyse von Bildungswegen und -mechanismen dieser Moleküle aus den verwendeten Vorläufermolekülen ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Entladung von Acetaldehyd das Formylradikal, Keten, Propin, Acrolein und Aceton entstehen. Durch die Kartierung der Verteilungen dieser Spezies in Molekülwolken, die dank der hohen räumlichen Auflösung der Beobachtungsdatensätze heutzutage möglich ist, kann im Prinzip festgestellt werden, ob diese im Labor ermittelten Reaktionswege für die interstellare Chemie relevant sind. Experimentelle Modifikationen für einen verbesserten Nachweis von Produkten, die funktionelle Gruppen aus mehreren Vorläufermolekülen enthalten, werden ebenfalls diskutiert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten ermöglichen die Suche nach den untersuchten Molekülen im interstellaren Raum und könnten im Falle der Aminoalkohole eine neue Klasse interstellarer Moleküle etablieren. Der Nachweis dieser Moleküle wird das Wissen über die Komplexität des interstellaren Raums erweitern. Die gleichzeitige Kartierung der räumlichen Verteilung der Moleküle und ihrer potentiellen Vorläufer, die sich an den Ergebnissen von Experimenten mit elektrischen Entladungen orientieren kann, wird zum Verständnis der in diesen extraterrestrischen Umgebungen auftretenden Chemie beitragen