W 1927 obronił pracę doktorską poświęconą krytyce wyjaśnienia Alberta Einsteina dotyczącego tzw. kondensatu Bosego-Einsteina. W tym samym roku przyjął razem z Goudsmitem propozycję pracy na Uniwersytecie w Michigan. Zajmował się tam przede wszystkim mechaniką statystyczną. W 1930 opublikował razem z Leonardem Ornsteinem pracę, w której przedstawił model ruchu Browna nazwany później procesem Ornsteina-Uhlenbecka, w 1932 razem z Davidem Dennisonem zaproponował rozwiązanie tzw. double minimum problem w mechanice kwantowej, przy użyciu metody WKB.
W 1935 rozpoczął pracę jako profesor Uniwersytetu w Utrechcie, gdzie zastąpił Hendrika Kramersa, prowadził tam m.in. badania nad procesami kondensacji. W 1939 powrócił na Uniwersytet w Michigan, w latach 1943–1945 pracował w Radiation Laboratory (tzw. Rad Lab), wchodzącym w skład Massachusetts Institute of Technology (m.in. razem z Markiem Kacem i Julianem Schwingerem).