Имея несколько свободных дней на подготовку, Лаврентьев заново переосмыслил весь накопленный материал и нашел решение вопросов, над которыми бился не один год. Кому и как об этом сообщить? В только что освобожденном от японцев Сахалине нет специалистов. Солдат пишет письмо в ЦК ВКП (б), и вскоре командование части получает из Москвы предписание создать Лаврентьеву условия для работы. Ему выделяют охраняемую комнату, где он пишет свои первые статьи. В июле 1950 года он отсылает их секретной почтой в отдел тяжелого машиностроения ЦК.

Сахалинская работа состояла из двух частей - военной и мирной.

В первой части Лаврентьев описал принцип действия водородной бомбы, где в качестве горючего использовался твердый дейтерий лития. Во второй части он предложил использовать управляемый термоядерный синтез для производства электроэнергии. Цепная реакция синтеза легких элементов должна идти здесь не по взрывному типу, как в бомбе, а медленно и регулируемо. Опередив и отечественных, и зарубежных ядерщиков, Олег Лаврентьев решил главный вопрос - как изолировать разогретую до сотен миллионов градусов плазму от стенок реактора. Он предложил на тот момент революционное решение - в качестве оболочки для плазмы использовать силовое поле, до этого в первом варианте он предлагал использовать – электрическое поле.

Олег не знал, что его послание сразу же было направлено на рецензию тогда кандидату наук, а впоследствии академику и трижды Герою Социалистического Труда А.Д. Сахарову, который так отозвался об идее управляемого термоядерного синтеза: " . Я считаю необходимым детальное обсуждение проекта тов. Лаврентьева. Независимо от результатов обсуждения необходимо уже сейчас отметить творческую инициативу автора".

В этом же 1950 году Лаврентьева демобилизуют. Он приезжает в Москву, успешно сдает вступительные экзамены и поступает на физический факультет МГУ. Спустя несколько месяцев его вызвал к себе министр измерительного приборостроения В.А. Махнев - так в царстве секретности называлось тогда Министерство атомной промышленности, соответственно, Институт атомной энергии назывался Лабораторией измерительных приборов АН СССР, то есть ЛИПАНом. У министра Лаврентьев впервые встретился с Сахаровым и узнал, что Андрей Дмитриевич читал его сахалинскую работу, но поговорить им удалось только через несколько дней, опять ночью. Это было в Кремле, в кабинете Лаврентия Берии, который был тогда членом Политбюро, председателем спецкомитета, ведавшего в СССР разработкой атомного и водородного оружия.

Тогда он услышал от Андрея Дмитриевича много теплых слов. Он заверил Лаврентьева, что теперь все будет хорошо, и предложил работать вместе. Лаврентьев согласился на предложение Андрея Дмитриевича.

Лаврентьев и не подозревал, что его идея управляемого термоядерного синтеза (УТС) так понравилась А.Д. Сахарову, что он решил ее использовать и вместе с И.Е. Таммом тоже начал работать над проблемой УТС. Правда, в их варианте реактора плазму удерживало не электрическое, а магнитное поле. Впоследствии это направление вылилось в реакторы под названием "токамак".

После встреч в "высоких кабинетах" жизнь Лаврентьева изменилась как в сказке. Ему дали комнату в новом доме, дали повышенную стипендию, доставляли по требованию необходимую научную литературу. Он взял разрешение на свободное посещение занятий. К нему прикрепили преподавателя математики, тогда кандидата наук, а впоследствии академика, Героя Социалистического Труда А.А. Самарского.

В мае 1951 года Сталин подписал постановление Совета Министров, положившее начало Государственной программе термоядерных исследований. Олег получил допуск в ЛИПАН, где приобретал опыт работы в области нарождающейся физики высокотемпературной плазмы и одновременно постигал правила работы под грифом "Сов. секретно". В ЛИПАНе Лаврентьев впервые узнал об идеях Сахарова и Тамма по термоядерному реактору.

Для Олега Александровича это было большой неожиданностью.

При встречах с Лаврентьевым Андрей Дмитриевич Сахаров ни одним словом не обмолвливался о своих работах по магнитной термоизоляции плазмы. Андрей Дмитриевич Сахаров и Тамма пришли к идее изоляции плазмы полем независимо друг от друга, а Лаврентьев выбрал в качестве первого варианта магнитный электростатический термоядерный реактор.

12 августа 1953 года в СССР успешно испытывается термоядерный заряд, в котором используется дейтерий лития. Участники создания нового оружия получают государственные награды, звания и премии, зато Лаврентьев по совершенно непонятной для него причине в одночасье многое теряет. В ЛИПАНе был снят допуск, и он лишился постоянного пропуска в лабораторию. Пришлось пятикурснику писать дипломный проект без прохождения практики и без научного руководителя на основе уже сделанных им теоретических работ по УТС. Несмотря на это, он успешно защитился, получив диплом с отличием. Однако работать в ЛИПАН, единственное месте в СССР, где тогда занимались управляемым термоядерным синтезом, первооткрывателя этой идеи не взяли.

Весной 1956 года молодой специалист с необычной судьбой приехал в Харьков с отчетом о теории электромагнитных ловушек, который он хотел показать директору института К.Д. Синельникову. Но Харьков не Москва. Изобретателя УТС вновь поселили в общежитие, в комнату, где проживало одиннадцать человек. Постепенно у Олега появились друзья и единомышленники, и в 1958 году в ХФТИ была сооружена первая электромагнитная ловушка.

В конце 1973 года Лаврентьев написал в Госкомитет по изобретениям и открытиям заявку на открытие "Термоизоляционный эффект силового поля”. Госкомитет потребовал первую сахалинскую работу по термоядерному синтезу, поиски которой заняли длительное время у Лаврентьева. На запрос Лаврентьеву тогда ответили, что секретные архивы пятидесятых годов уничтожены, и посоветовали обратиться за подтверждением существования этой работы к ее первому рецензенту. Андрей Дмитриевич Сахаров прислал справку, которая подтверждала существование работы Лаврентьева и ее содержание. Но Госкомитету нужно было то самое рукописное сахалинское письмо, которое кануло в Лету.

Но вот наконец в 2001 году в августовском номере журнала "Успехи физических наук" появляется цикл статей "К истории исследований по управляемому термоядерному синтезу". Здесь впервые подробно рассказано о деле Лаврентьева, помещена его фотография из личного дела полувековой давности и, самое главное, впервые представлены найденные в Архиве Президента Российской Федерации документы, которые хранились в особой папке под грифом "Сов. секретно". В том числе и предложение Лаврентьева, отправленное с Сахалина 29 июля 1950 года, и августовский отзыв Сахарова на эту работу, и поручения Л.П. Берии . Эти рукописи никто не уничтожал. Научный приоритет восстановлен, имя Лаврентьева заняло свое настоящее место в истории физики.

Ученый совет ХФТИ после публикации в журнале "Успехи физических наук" единогласно принял решение ходатайствовать перед ВАК Украины о присуждении Лаврентьеву докторской степени по совокупности опубликованных научных работ - их у него свыше ста. Украинский ВАК отказал.