1913 году получил вторую ученую степень.

В том же году Луи призвали на военную службу и направили во французский инженерный корпус. Всю Первую мировую войну де Бройль прослужил на станции беспроволочного телеграфа при Эйфелевой башне. Лишь в 1920 году он в частной лаборатории своего брата возобновил исследования. Результаты его первых теоретических изысканий по квантовой теории излучения «абсолютно черного тела» были опубликованы в 1922 году.

Увлечение историей не прошло для ученого бесследно. Во многих своих исследованиях де Бройль исходил непосредственно из исторических соображений. Идея о волновой природе материи также возникла у него в конечном счете в результате размышлений над историей оптики: «Новая динамика свободной материальной точки относится к прежней динамике (включая динамику Эйнштейна) так же, как волновая оптика относится к геометрической. Размышления покажут, что предлагаемый синтез представляется логическим венцом совместного развития динамики и оптики со времени XVII века».

Так в 1923 году он в трех небольших статьях выдвинул и обосновал гипотезу об универсальности дуализма в микромире, т.е. распространил идею Эйнштейна о двойственной природе света на вещество - поначалу на электрон, предсказав возможность его дифракции.

«В первой статье 'Волны и кванты' де Бройль рассматривает движение свободной частицы и связывает ее с волной определенной длины, - пишет Г. Голин. - На основе выдвинутой гипотезы он обосновывает казавшийся загадочным принцип отбора стационарных орбит в атоме Бора-Зоммерфельда, рассматривая поведение электронов на стационарных орбитах как результат явления резонанса фазовой волны на длине замкнутой траектории, и делает вывод, что стационарными орбитами являются те, на которых целое число раз укладывается длина волны, связанной с равномерно вращающимся электроном. Во второй статье 'Кванты света, дифракция и интерференция' де Бройль строит теорию интерференции и дифракции света исходя из существования фотонов. В статье 'Кванты, кинетическая теория газов и принцип Ферма' он на основе своей идеи дуализма выводит формулу Планка для 'излучения абсолютно черного тела' и устанавливает соответствие между принципом наименьшего действия Мопертюи, примененным к движению частицы, и принципом Ферма, примененным к распространению связанной с частицей волны».

В следующем году ученый обобщил и развил свои идеи в диссертации «Исследования по квантовой теории», которую успешно защитил в Сорбонне. Ученый писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. «При этом следует полагать, - объяснял он позднее в своей прекрасной и сегодня заслуживающей внимания книге «Свет и материя», - что каждая корпускула сопровождается определенной волной и каждая волна связана с движением одной или многих корпускул».

Вследствие этого понятие «корпускула» и понятие «волна» должны применяться одновременно: к излучению так же, как и к веществу, к материи. «Электрон, - считал де Бройль, - не может более рассматриваться как простая крупинка электричества; с ним следует связать волну». Отношение между энергией движущихся частиц и частотой колебания волнового движения передается константой Планка. Она вместе с величиной движения определяет и длину волны. Как одному кванту света соответствует одна световая волна, так и частице материи должна, по мнению Луи де Бройля, соответствовать волна материи.

Эта смелая мысль о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

П. Ланжевен обратил внимание Эйнштейна на статью де Бройля «Исследования по квантовой теории». В письме к Борну Эйнштейн писал: «Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно».

Многие физики, однако, с недоверием отнеслись к гипотезе де Бройля. Среди них был и Э. Шрёдингер. Но в итоге он увлекся идеей французского ученого и попытался обосновать ее математически. В результате в 1926 году Шрёдингер вывел знаменитое уравнение, положенное в основу волновой механики.

О том, насколько революционизирующе подействовало на старшее поколение физиков представление о волнах материи, свидетельствует речь, с которой в 1938 году выступил М. Планк на чествовании Луи де Бройля. Планк говорил: «Еще в 1924 году г-н Луи де Бройль изложил свои новые идеи об аналогии между движущейся материальной частицей определенной энергии и волной определенной частоты. Тогда эти идеи были настолько новы, что никто не хотел верить в их правильность, и я сам познакомился с ними только три года спустя, прослушав доклад, прочитанный профессором Крамерсом в Лейдене перед аудиторией физиков, среди которых был и наш выдающийся ученый Лоренц… Смелость этой идеи была так велика, что я сам, сказать по справедливости, только покачал головой, и я очень хорошо помню, как г-н Лоренц доверительно сказал мне тогда: 'Эти молодые люди считают, что отбрасывать в сторону старые понятия в физике чрезвычайно легко!' Речь шла при этом о волнах Бройля, о соотношении неопределенностей Гейзенберга - все это для нас, стариков, было чем-то очень трудным для понимания. И вот развитие неизбежно оставило позади эти сомнения. Осенью того же 1927 года я лично познакомился с г-ном де Бройлем на 5-м Сольвеевском конгрессе в Брюсселе и был восхищен его скромностью и образованностью».

Уже в ближайшем будущем гипотеза де Бройля получила надежное экспериментальное подтверждение, а созданная на ее основе волновая механика стала широко применяться в ядерной физике, химии, биологии и технике.

В 1929 году де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытие волновой природы электронов». В речи, которой представили лауреата на церемонии вручения премии, были такие слова: «Де Бройль открыл совершенно новый аспект природы материи, о котором ранее никто не подозревал. Блестящая догадка де Бройля разрешила давний спор, установив, что не существует двух миров, один - света и волн, другой - материи и корпускул. Есть только один общий мир».

В свою очередь, в нобелевском докладе ученый сказал, что его интерес к теоретической физике пробудил тот факт, «что структура материи и структура излучений становились все таинственней, по мере того как физику все более и более завоевывало странное понятие 'квант', введенное Планком в 1900 году при исследовании черного излучения». Движущей причиной научно-исследовательской работы служит, по его мнению, также и та «святая любознательность», которую Эйнштейн рассматривал как первоисточник всех естественнонаучных и технических достижений. Луи де Бройль считал справедливым требование, предъявляемое к естествоиспытателю Шрёдингером: он должен «быть способным удивляться и быть помешанным на догадках».

В 1928 году де Бройль занял пост профессора Парижского университета, который занимал до 1962 года. Блестящий лектор и педагог, глубоко интересовавшийся вопросами физического образования на всех уровнях от средней школы до аспирантуры, выдвинул ряд глубоких идей по модернизации современного обучения.

У себя на родине ученый пользовался заслуженным авторитетом и признанием. С 1942 по 1975 год он был непременным секретарем Французской академии наук. Луи де Бройль удостоен многих почетных научных званий и степеней ряда стран. С 1958 года он является иностранным членом Академии наук СССР. Выдающегося французского физика до преклонного возраста интересовали самые современные проблемы науки: теория элементарных частиц, атомная энергия, кибернетика. В свободное время он любил читать и играть в шахматы.

Иногда ученый выступал с биографическими работами о физиках прошлого. Так, гениальному французскому естествоиспытателю Амперу посвящена блестящая научная биография, написанная с законным чувством национальной гордости. В нашей стране были опубликованы книги де Бройля «По тропам науки» и «Революция в физике». Эти интересные произведения написаны простым и ясным языком. Не случайно де Бройля избрали почетным президентом Французской ассоциации писателей- ученых.

Умер Луи де Бройль 19 марта 1987 года.