Еще во время прежних исследований работы Капица сделал вывод о том, что мощные магнитные поля можно использовать для новых открытий. Он решил сконструировать специальный мотор-генератор, кинетическая энергия ротора которого должна была бы создавать магнитное поле. Идея Капицы понравилась Резерфорду, и он выделил для ее реализации денежные средства, а главное, специальное помещение для установки.
В 1924–1925 годах Капица занимался этим проектом. Ротор весом в 2,4 тонны был изготовлен фирмой «Метрополитен-Виккерс» в Манчестере. Капица часто бывал в Манчестере, где проводил тестирование самого мотора. В результате раскрутки ротор замыкался на катушку и выделял мощность 220 МВт. После изготовления и установки мотора-генератора в Кавендишской лаборатории Капица начал свои лабораторные исследования. При десятисекундном импульсе ему удалось получить магнитное поле напряженностью 320 кЭ. Кроме того, Капица разработал новые методы измерений различных физических параметров в импульсных полях.
В январе 1925 года Резерфорд назначил Капицу своим заместителем по магнитным исследованиям, а 12 октября 1925 года Петр Леонидович стал членом Тринити-колледжа.
Цикл работ по исследованию сверхсильных магнитных полей Капица окончил работами по наблюдению траекторий альфа-частиц. При использовании импульсных полей ученый получил результаты, которые не отличались от его первых исследований.
В ту пору Капицу заинтересовали исследования эффекта Зеемана, но времени на эти работы не было, и ученый возобновил их только в Москве через 10 лет.
Эрнесту Резерфорду нравились работы и оригинальный стиль Капицы. После непродолжительных споров ему удалось убедить Лондонское королевское общество выделить часть денег, завещанных известным химиком Людвигом Мондом, на строительство новой лаборатории.
И хотя официальное открытие лаборатории состоялось только в 1933 году, Капица намного ранее начал проводить в ней исследования. Что интересно, ключ от лаборатории был сделан в форме золотого крокодила, что явно намекало на Резерфорда.
Среди достижений Капицы в то время можно выделить исследование магнитострикции пара– и диамагнитных веществ в сильных магнитных полях, открытие аномально большой магнитострикции монокристаллов висмута, изучение гальваномагнитных свойств металлов в сильных полях.
После серии опытов по конструированию приборов для измерения температурных эффектов, связанных с влиянием сильных магнитных полей на свойства вещества, Капица решил исследовать область физики низких температур. Эти работы на долгое время определили научную деятельность великого ученого.
В то время наиболее низкие температуры получали с помощью жидкого гелия. В Кавендишской лаборатории уже были проведены работы по охлаждению азота. Капицу же заинтересовало ожижение водорода и гелия. Еще до открытия Мондовской лаборатории Петр Леонидович совместно с Кокрофтом сконструировал оригинальный ожижитель водорода. Новая лаборатория давала широкие возможности для углубления исследований.
Ученый начал работу над созданием установки, в которой охлаждение гелия проводилось бы не с помощью метода, базирующегося на основе известного эффекта Джоуля – Томсона, а с помощью внешней работы при адиабатическом расширении газа в специальном детандере – поршневой машине. Гениальный метод, придуманный Капицей, был намного выгоднее всех известных тогда методов, поскольку процедура не требовала предварительного охлаждения жидким водородом. В качестве смазки между поршнем и цилиндром ученый решил использовать газообразный гелий. Кроме того, Капица поскольку всевозможные проблемы, связанные с перекашиванием поршня.
Наконец, в 1934 году первая модель ожижителя была готова. Однако Капице не удалось стать первым исследователем в Англии, получившим жидкий гелий. Ученые из Оксфорда объявили раньше о первом ожижении газа.
Правда, установка Капицы имела ряд преимуществ. Во-первых, она была способна производить 2 л жидкого гелия в час, тогда как установке конкурентов для получения небольшого его количества с примесями требовалось несколько дней. Во-вторых, после того как в апреле 1934 года установка была запущена, жидкий гелий был перелит в дьюар, что позволило ученому заявить, что он первым получил жидкий гелий, который можно было увидеть.
Поистине революционная работа Капицы принесла ряд дивидендов и Кавендишской лаборатории. Она стала одним из криогенных центров мировой физики. На основе ожижителя Капицы американский ученый Коллинз построил первую промышленную установку, в результате чего жидкий гелий стал широко доступным. Кроме того, установка Капицы стала прародителем практически всех современных ожижителей и сделала революцию в области физики жидких температур.
В своей лаборатории Капица чувствовал себя как рыба в воде. Он принимал различные делегации, группы ученых, молодых и талантливых физиков. Однако долго пробыть директором лаборатории ему не удалось.
В 1928 году Академия наук СССР присвоила Петру Капице ученую степень доктора физико-математических наук. В 1929 году он был избран членом-корреспондентом АН СССР. К тому времени в течение 13 последних лет ученый непременно приезжал в СССР, где навещал мать, отдыхал на курортах и читал лекции. Во время последних поездок ученого его сопровождала вторая жена Анна Алексеевна Капица (урожденная Крылова).
На предложения официальных лиц СССР о работе в стране Капица отвечал положительно, лишь ставил несколько условий, в числе которых была свобода поездок на Запад.
Летом 1934 года Капица с женой приехал в Советский Союз, чтобы проведать мать и принять участие в научной конференции, но вернуться в Англию ему не разрешили. После многочисленных стычек с «официальной Москвой» жене ученого дали разрешение на возвращение в Англию к детям, а ученого обязали работать на Советский Союз. Различные обращения Резерфорда и других заграничных друзей Капицы к советскому правительству с просьбами разрешить ему выезд для продолжения работы в Англии были проигнорированы.
Многие знакомые боялись общаться с Капицей, поскольку не знали, что ему уготовано. Капица заявил, что не будет больше заниматься физикой, и, если ему не дадут уехать, он начнет заниматься биологией. В частности, он встречался с И. П. Павловым и просил знаменитого ученого посодействовать его карьере в области биофизики.
Несмотря на постоянное давление НКВД и ужасные бытовые условия в комнатушке коммунальной квартиры в Ленинграде, ученого не удалось сломить. В одном из писем жене в Англию ученый писал: «…Жизнь у меня сейчас пустая. С моими приборами, на моих идеях в моей лаборатории другие живут и работают, а я здесь сижу один, и для чего это нужно, я не понимаю. Мне кажется, что я схожу с ума».
Научная элита Советского Союза, в частности Семенов, Павлов, Иоффе и Вернадский, высказывались в поддержку Капицы, но после «рекомендации» сверху оставить Капицу в покое как-то стихли.
Все же полной капитуляции Капицы власти не дождались, и они решили пойти на незначительный компромисс. 31 октября ученый получил письмо В. И. Межлаука, заместителя председателя Совнаркома СССР и председателя Госплана, в котором ему предлагали к 3 ноября представить свои предложения о научной работе в СССР. В ответном письме Капица повторил свои объяснения, которые уже давал в личном разговоре с Межлауком, после того как ему отказали в выезде из СССР. В частности, ученый акцентировал внимание на том, что его лаборатория в Кембридже была оборудована дорогостоящими, единственными, точными и оригинальными приборами, изготовленными по специальному заказу, и он не видит возможности изготовить такую технику в СССР.
В то время Капицей заинтересовался Сталин. В итоге 22 декабря этого же года на Политбюро ЦК ВКП(б) решался вопрос, как поступить с ученым. На следующий день, 23 декабря 1934 года было подписано постановление правительства о строительстве в Москве Института физических проблем (ИФП). После бесед с руководителями АН СССР, а затем и Совнаркома Капица согласился работать в новом институте. В этот же день, 23 декабря 1934 года, Капица был немедленно переведен в престижный «Метрополь», где ему был предоставлен шикарный номер люкс. 1 января 1935 года Капица был назначен директором ИФП. О своем назначении ученый узнал из газет.