Ha investigado sobre aplicaciones de Física de Plasmas, en problemas de interacción plasma-conductor y láser-plasma. Cuando hacia 1980 se empezaron a usar sondas Langmuir para medir densidad y temperaturas en el crítico borde de máquinas por confinamiento magnético en Fusión Termonuclear Controlada, su análisis para plasmas intensamente magnetizados (1970), validado experimentalmente en Mie University en 1981, fué base de trabajo en el JET de Culham y Toronto, en Princeton, MIT, Berlín… Y su análisis de efectos de extremo y transitorio para medir temperaturas en sondas sin campo magnético, fue validado en MIT, Onera y Toronto; el primer efecto había sido encontrado en un experimento del Explorer 17.

En 1991 introdujo el concepto bare tether eliminando el aislante de amarras espaciales (space tethers), para hacer la amarra misma contactor anódico extremadamente eficaz, como sonda de Langmuir gigante sin efectos magnéticos, pero a efectos de propulsión y generación de potencia en el Espacio. La Agencia Espacial Europea le aprobó un experimento de demostración (NETT) con Alcatel Space para los Columbus Precursor Flights, anulados con posterioridad por razones económicas. Otro experimento (ProSEDS), basado en un White Paper a NASA con MIT y Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, a volar en 29-III-2003 como piggy-back en un GPS Delta-2, se canceló por la tragedia del Shuttle Columbia. En 2002, un estudio en 3 Centros NASA y uno NOAA, Univ. Houston, y SAIC, explicó substantial electron collection en la International Space Station, incorporando “… J.R.Sanmartin´s bare wire collection theory…” a códigos ISS. La Agencia Espacial Japonesa JAXA le voló en 31-VIII-2010 un modesto experimento sub-orbital (T-Rex). De 1-XI-2010 a 1-II-2014 Coordinó un Proyecto (BETs) del Programa FP-7/Space de la Comisión Europea, con centros de Alemania, EEUU, Francia, Italia y España.

En un Sherwood Meeting (Mayo, 1968), descubrió (al tiempo que descubierta en Hiroshima University) la segunda inestabilidad paramétrica de plasmas (oscillating two-stream instability) tras la ya conocida decay instability. En 1975 inició un Programa de investigación en Fusión por Confinamiento Inercial que estableció modelos básicos para el análisis de una extensa variedad de fenómenos fluidodinámicos, y se consolidó en un Grupo de Plasmas.

Ha sido Summer Visiting Professor en MIT en 1988, 1993, 2007, 2008, 2010 y 2011, y Visiting Scientist en U. Colorado en 1971 y 1990, y en el HSCA de 1995 a 2006. Recibió Premios de la Fundación UPM (1984), la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales (1994), y el INTA (2002). Ha sido miembro del Jurado de los Premios Príncipe de Asturias de Ciencias, y Beppi Colombo de la Università di Padova.