«…По существу, как ученый, я мог бы здесь остановиться, опубликовать свои результаты, – вспоминал Капица, – и ждать, пока техническая мысль достаточно созреет, чтобы их охватить и воплотить в жизнь. Сегодня я знаю, что этим творческим исследованием я предначертал всю ту работу, которую делал сам последние четыре года уже как инженер и которую, как я вначале предполагал, должна была бы делать наша промышленность. На этой теоретической работе я имел бы право остановиться, если бы сам не был инженером, если бы меня, не скрою этого, не разобрал задор инженера. Мне говорят, что те идеи, которые я выдвигаю, как ученый, нереальны. Я решил сделать еще шаг вперед. За полтора-два года я построил в институте машину для получения жидкого воздуха на этих новых принципах. Общие теоретические положения, которые были высказаны, оправдались».
В 1937 году Капица открыл сверхтекучесть жидкого гелия.
Капица первый показал, что вязкость жидкого гелия при температуре ниже 219 градусов по Кельвину при его протекании через тонкие щели во столько раз меньше вязкости любой самой маловязкой жидкости, что, по-видимому, равна нулю. Обстоятельно изучив свойства жидкого гелия в этом новом состоянии, Капица показал что он состоит из двух компонент – сверхтекучей и нормальной.
Работа с жидким гелием положила начало развитию совершенно нового направления в физике – квантовой физики конденсированного состояния. Для объяснения нового направления пришлось даже вводить новые квантовые понятия – так называемые элементарные возбуждения, или квазичастицы. В этих работах Капица установил очень важный факт: при передаче тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе разделов возникает неожиданный скачок температуры, – так называемый «скачок Капицы».
24 января 1939 года Капица был избран в действительные члены Академии наук СССР. Председательствовал на заседании секретарь отделения математических и естественных наук академик А. Е. Ферсман, доклад о кандидатах делал академик С. И. Вавилов. За Капицу единогласно проголосовали все тридцать пять академиков, присутствовавших на заседании.
В самом начале войны институт Капицы был эвакуирован в Казань.
Разместились физики в здании университета и сразу приступили к монтажу вывезенного из Москвы оборудования. Достаточно быстро в казанские госпитали начал поступать кислород для раненых и больных. Жидкий кислород отправляли и на работающие заводы. «Война обостряет нужду страны в кислороде, – писал Капица. – Приходится засучив рукава самим всеми силами браться за доработку машин под промышленный тип, изучать вопросы выносливости, продолжительности эксплуатации. Это мы и делали в Казани».
В годы войны Капица создал самую мощную в мире турбинную установку для получения в больших масштабах необходимого для промышленности жидкого кислорода. При совете Министров СССР было создано специальное Управление по кислороду – Главкислород. Главной задачей Управления стала разработка и ввод в строй установок Капицы для получения жидкого кислорода.
За эти работы Капица был удостоен звания Героя Социалистического Труда.
Многие работы ученого помогли фронту, помогли стране, однако, Капица не вошел в число ученых, поддержавших создание атомного оружия. Он отказался от этой работы из-за личной антипатии к Л. П. Берия, возглавившему атомный проект. Капицу нисколько не испугало то, что в НКВД на него, как на каждого крупного ученого, уже давно лежало пухлое досье. Но, разумеется, тут же нашлись лица, которых вдруг перестала устраивать тематика его института. Одна за другой стали назначаться проверочные комиссии, приветствуемый еще вчера турбодетандерный метод в срочном порядке отменили, сам стиль руководства Капицей института был признан порочным.
В 1946 году Капицу сняли с поста директора и лишили возможности работать в им же созданном институте.
На своей даче, располагавшейся на Николиной горе, Капица организовал небольшую домашнюю лабораторию. Здесь он провел несколько очень интересных работ. В 1955 году, например, он дал объяснение шаровой молнии, указав при этом на возможность создания мощных электрических разрядов, подобных шаровым, в лабораторных условиях.
Практически все в «домашней лаборатории» Капица делал своими руками: точил металл на станке, столярничал, занимался электропроводкой.