En 1880 descubrió la piezoelectricidad con su hermano Jacques, es decir, el fenómeno por el cual al comprimir un cristal (cuarzo) se genera un potencial eléctrico. Posteriormente ambos hermanos demostraron el efecto contrario: que los cristales se pueden deformar cuando se someten a un potencial.
Enunció en 1894 el principio universal de simetría: las simetrías presentes en las causas de un fenómeno físico también se encuentran en sus consecuencias.
Durante su doctorado y los años siguientes se dedicó a investigar alrededor del magnetismo. Desarrolló una balanza de torsión muy sensible para estudiar fenómenos magnéticos y estudió el ferromagnetismo, el paramagnetismo y el diamagnetismo. Como resultado de estos estudios, se destaca el descubrimiento del efecto de la temperatura sobre el paramagnetismo, conocido actualmente como la ley de Curie. También descubrió que las substancias ferromagnéticas presentan una temperatura por encima de la cual pierden su carácter ferromagnético; esta temperatura se conoce como temperatura o punto de Curie.
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