Interesado inicialmente en el estudio de la física molecular y de los fenómenos electrónicos, junto a Piotr Kapitsa descubrió en 1922 un método para medir el campo magnético de un núcleo atómico, que posteriormente sería modificado y mejorado por Otto Stern y Walther Gerlach, y conocido como experimento de Stern-Gerlach.