1946年9月，在華羅庚帶領下幾個人踏上了美利堅合眾國的土地，與先行而來的曾昭掄會合。由於美國對這壹高新技術領域的技術封鎖，所以，曾昭掄跟他們壹見面，就連連搖頭：“嗨，在美國學習原子彈技術是沒門了，妳們就各奔前程吧。”
曾昭掄將他這些日子和美國人交涉聯絡的情況大致講了壹下，幾個人壹聽也覺得十分無奈。大家都看到，美國根本不可能幫助中國搞什麽原子彈。此外，由於國民黨政府忙於打內戰，腐敗成風，政治局面和經濟形勢混亂不堪，籌建國防科研機構的原定目標早就註定了是水月鏡花。
朱光亞選擇留在老師吳大猷教授的母校密歇根大學，壹邊作為吳大猷先生的助手做理論物理課題，壹邊在研究生院攻讀博士學位，進行實驗核物理的學習和研究。
在密歇根大學，朱光亞學習勤奮刻苦，各科成績全是A,連續4年獲得獎學金。1947年開始，在世界著名物理期刊《物理評論》上連續發表論文，在核物理這個新興學科前沿留下了他的足跡，使他在中國留學生中名氣很大。
當時在美國的中國留學生和旅美學者有兩大組織，壹個是北美基督教中國學生會，壹個是留美中國科學工作者協會。朱光亞是這兩大組織的積極分子。
當新中國成立的消息傳來，旅美留學生們為之歡欣鼓舞，集會慶祝。這時候，是回國參加祖國建設，還是滯留美國，或者是去臺灣，成了每壹個中國留學生日思夜想的重要問題，也是當時留學生之間交流的中心話題。朱光亞和許多進步師生壹樣，積極鼓動大家回國效勞。從目前查到的文字記錄看，1949年11月、12月間，朱光亞與曹錫華等人，在密歇根大學所在的安城，多次以留美科協的名義組織召開中國留學生座談會。分別以“新中國與科學工作者”、“趕快組織起來回國去”等為主題，介紹國內情況，討論科學工作者在建設新中國中的作用，動員大家“祖國迫切地需要我們！希望大家放棄個人利害，相互鼓勵，相互督促，趕快組織起來回國去。”他們還用《打倒列強》歌曲的曲調，自編了《趕快回國歌》，每次聚會都要齊唱“不要遲疑，不要猶豫，回國去，回國去。祖國建設需要妳，組織起來回國去，快回去，快回去。”而朱光亞自己則早就決定回國，已經做好了回國前的各項準備。
從1949年年底開始，作為北美基督教中國學生會中西部地區分會主席的朱光亞牽頭組織起草了《給留美同學的壹封公開信》，並送給美國各地區中國留學生傳閱、討論、聯合署名，到第二年2月下旬，有52名已經決定近期回國的留學人員簽了自己的名字。其中既有從事自然科學的，也有從事社會科學的（如1949年年底回國，後來在外交部工作的陳秀霞同誌），並且分布在美國各地，如著名科學家侯祥麟先生當時就是在美國東海岸波士頓的麻省理工學院。這也看出，朱光亞同誌當時在留學生中具有較大影響。這封公開信於1950年2月27日寄往紐約的留美學生通訊社，刊登在3月18日出版的《留美學生通訊》第三卷第八期上,在當時海外中國留學生和學者中引起了強烈的反響。