pracował przy opracowywaniu cyklotronu Instytutu Radiowego pod kierunkiem Witalija Chłopina, wraz z M. Gamowem, Igorem Kurczatowem i Ł. Mysowskim.
Jednocześnie w latach 1939–1941 wykładał fizykę i był kierownikiem katedry fizyki Leningradzkiego Instytutu Inżynierów Transportu Kolejowego, po ataku Niemiec na ZSRR został ewakuowany do Kazania, 1942-1943 przebywał w Armenii wraz z grupą pracowników naukowych. Od 1943 był zaangażowany w prace nad radzieckim projektem atomowym, był jednym z głównym twórców pierwszej radzieckiej bomby atomowej. Pracował w Laboratorium nr 2 Instytutu Problemów Fizycznych Akademii Nauk ZSRR, w sierpniu 1945 został sekretarzem naukowym Rady Technicznej Specjalnego Komitetu Państwowego Komitetu - późniejszego Pierwszego Głównego Zarządu przy Radzie Ministrów ZSRR, od 9 kwietnia 1946 był członkiem Rady Naukowo-Technicznej Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. 1 grudnia 1945 został dyrektorem nowo utworzonego Laboratorium nr 3 Akademii Nauk ZSRR, przemianowanego w 1947 na Laboratorium Techniki Cieplnej Akademii Nauk ZSRR. Pracował nad konstrukcją reaktorów atomowych i akceleratorów cząstek naładowanych. Jednocześnie między 1947 a 1951 kierował katedrą w Wydziale Fizyczno-Technicznym Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Od 1939 był członkiem korespondentem, a od 1943 akademikiem Akademii Nauk ZSRR.