物質を絶対零度に近づけると量子力学的な性質が現れます。カピッツァは独自のターボ膨張法で大量の液体ヘリウムを作り、1937年に超流動現象を報告しました。超流動ヘリウムは粘性がほぼゼロで、毛細管の中を抵抗なく流れ続けます。この性質は低損失のエネルギー移送や高感度の回転センサーに応用されています。さらに彼は低温での熱伝導や界面の熱抵抗（カピッツァ抵抗）も測定し、MRIやロケットエンジンの冷却技術の礎を築きました。低温物理学は現在の量子コンピュータや超伝導研究にも不可欠です。

カピッツァはヘリウムガスの圧縮・急膨張を使う閉サイクル冷凍機を開発し、2 K付近で毎時数リットルの液体ヘリウムを得ることに成功した。これにより臨界温度2.17 K以下のヘリウム IIで粘性消失や二流体モデルを詳細に検証できた。第一音・第二音を利用した比熱測定は、ボース凝縮とフェルミ液体論の実験的裏付けとなった。さらに金属と液体ヘリウム界面の熱流束を測定し、κ=A T³に従う熱境界抵抗を見いだした。この極低温技術はボロメータ、SQUID、希釈冷凍機などに直結し、量子ホール効果や超伝導量子ビットの精密測定を可能にしている。

カピッツァは高速回転タービンを用いる閉サイクル冷凍機で2 K領域100 W級の冷却能力を達成し、ヘリウム IIの量子乱流・臨界速度を体系的に測定した。界面熱輸送ではphonon mismatch modelとKapitza lengthを導入し、acoustic-mismatch theoryの先駆けとなった。12 T級ビターフ電磁石と回転クライオスタットを組み合わせ、第二音共鳴を用いたロタンド流束密度や量子渦列の可視化を行った。He-3拡散実験はp-waveペアリングの理論研究を刺激し、希釈冷凍機・断熱消磁など後続技術の設計指針となった。彼の熱物性データはITS-90策定時の参照値として使用され、量子流体シミュレーションの検証にも用いられている。