芳雄在1928年与奥斯卡·克莱因发表康普顿散射研究论文，并提出克莱茵－仁科方程式。他在1928年12月25日返回日本，并试图在日本创造量子力学研究环境。1931年7月，他在理化学研究所内设立仁科实验室，并介绍一些外国学者与日本物理学家交流，包括维尔纳·海森堡、尼尔斯·玻尔与保罗·狄拉克。他后来开始研究宇宙线，同时在理化学研究所设置粒子加速器与回旋加速器，并邀请尼尔斯·玻尔来到日本。二战期间，仁科实验室也被投入军事领域，并在1941年春开始研究在日本制作原子弹的可能性，他与长冈半太郎在1942年以理化