2002年9月，郗小星和宾州州立大学的同事在世界上首次制成大电流二硼化镁超导薄膜材料，并将研究结果发表在美国《自然材料》杂志上。郗小星采用新的混合物理化学气相沉积法将二硼化镁制成高质量薄膜材料，薄膜表面平坦，还可以载送每平方厘米1000万安培的大电流。杂志写道：“这是二硼化镁超导材料发展过程中的决定性一步。”当时的郗小星曾在接受媒体采访时说：“我们开发的新工艺将会很快用于新型微波器件制造，应该说离工业化阶段不远了。”
郗小星在二硼化镁超导薄膜上的研究突破来自混合物理化学气相沉积法，而这种技术需要用到硼烷。“硼烷本身有毒，也容易引发爆炸。”甘子钊说北大物理系这么多年来也一直在使用硼烷技术，北大的冯庆荣教授也在做二硼化镁超导薄膜研究。“我们系也做，但和郗小星的做法不一样。我们学校自己研发的设备不够安全，虽然也没出过事、没死过人，但我们还是把自己的这套设备放在物理系大楼外面的小平房里。而当时郗小星为此付出了很多努力，曾经找过一家美国公司帮他做镀膜。”
由于美国教授每年只领9个月的薪水，剩下3个月为学术休假期，其间教授们一般会另找研究项目或与企业合作。2002年，当时还是宾州州立大学副教授的郗小星与一家美国公司合作，共同进行超导薄膜技术的研究，正是在此期间郗小星和公司共同研制出了使用混合物理化学气相沉积法的硼烷镀膜设备。虽然检察院没有披露这家公司的名称，但费城当地媒体Philly.com推测这家公司便是加州的电子设备和通讯系统公司Conductus，后来这家公司很快被并入位于得州的超导体技术公司（STI）。
共同研制出的硼烷镀膜设备非常稳定。郗小星学术休假结束回到宾州州立大学重新开始工作后，就想购买Conductus公司的这台镀膜设备，以用于今后的研究实验，并成功申请到了美国国防部的科研经费用来购买设备。但Conductus公司一开始拒绝了郗小星的购买请求，直到2006年美国公司才正式同意向他提供使用这套设备，为期12个月。郗小星必须签署保密协议，保证其“用途仅为实验，不得复制、出售、转交或转移给第三方，不得拆解、拆分或以其他任何方式逆向解析设备。提供不等于商业化，而仅仅是为实验用途”。
此后郗小星在国际超导领域的研究逐步发展，2007年成为美国物理学会会员。2009年他离开宾州州立大学来到天普大学，并在2014年成为天普大学物理系主任。
从长江学者到千人计划
在美国超导研究领域逐步前行的郗小星，也没有中断与中国的联系。最初郗小星会回北京看望家人，也会回母校北大。“他经常到北大来。”甘子钊回忆说，当时郗小星的回国申请都是直接交到他手里，他就按正常外国访问学者的标准接待郗小星，报销路费、生活费、旅馆住宿费等。“没什么，他是我们的学生，想回来就回来看看吧，我都会给他签字的。”此时郗小星在北大的身份是物理学院客座教授。
1998年，李嘉诚的长江实业集团与中国教育部合作，为了吸引海外科研人才归国研究而创办长江学者奖励计划，由于当时国内知识分子的收入很低，与西方差距很大，因此长江学者计划规定特聘教授在聘期内享受每年10万元的“特聘教授岗位津贴”，这一津贴并非研究费，而是直接给予个人的补助。郗小星就是在这一背景下去清华大学做了3年的长江学者讲座教授。讲座教授有别于全职的特聘教授，每年在中国待3个月、半年都可以，津贴则也是按月计算。“但他在清华也没做二硼化镁薄膜的研究，而是别的研究。因为我们北大和清华这么近，我们做了，清华就不做了。”甘子钊回忆道。
2008年，中共中央组织部“围绕国家发展战略目标，引进2000名左右人才并有重点地支持一批能够突破关键技术、发展高新产业、带动新兴学科的战略科学家和领军人才来华创新创业”，这便是“海外高层次人才引进计划”，即俗称的“千人计划”。千人计划可以说是长江学者奖励计划的更进一步，外籍专家除了可办理《外国人永久居留证》外，还会获得中央财政给予的100万元生活补助，而科研上的启动费也达到几百万元。郗小星报名参加了上海交通大学物理系的千人计划，并提出计划在上海交大建立一个世界领先水平的超导薄膜实验室，其中也包括二硼化镁薄膜的制造。