到1940年8月6日，美国正式制定了代号为“曼哈顿”的绝密计划。罗斯福总统赋予这一计划以“高于一切行动的特别优先权”。“曼哈顿”计划规模大得惊人。由于当时还不知道分裂铀235的3种方法哪种最好，只得用3种方法同时进行裂变工作。这项复杂的工程成了美国科学的熔炉，在“曼哈顿”工程管理区内，汇集了以奥本海默为首的一大批来自世界各国的科学家。科学家人数之多简直难以想象，在某些部门，带博士头衔的人甚至比一般工作人员还要多，而且其中不乏诺贝尔奖得主。“曼哈顿”工程在顶峰时期曾经起用了53.9万人，总耗资高达25亿美元。这是在此之前任何一次武器实验所无法比拟的。
这下张俊送到美国的物理工程师开始去应聘或者推荐的方式进入到美国的“曼哈顿计划”之中，这个工作有毛人凤单独负责，当张俊接到毛人凤的报告后，就再三叮嘱毛人凤，尽一切可能破坏或者是拖延美国的研发进度，最好是彻底破坏，首席科学家最好是直接解决掉。
具体的实施还要看毛人凤的，张俊不是搞情报工作的，在这方面没有多少经验，但对于情报方面的工作，毛人凤还是很厉害的，破坏“曼哈顿计划”也是毛人凤当前的主要工作。当然美国也专门成立了反间谍组织，来保护“曼哈顿计划”，暗战之中谁胜谁负，现在还不好说，但是张俊提前几年就开始布局，让德国的间谍工程师很是顺利地加入到了美国的“曼哈顿计划”中，这无疑占了先手，美国的“曼哈顿计划”危险了。
曼哈顿计划的最终目标是尽快造出原子弹。虽然在这个计划以前，执行委员会就肯定了它的可行性，但要实现这一新的爆炸，还有大量的理论和工程技术问题需要解决。在劳伦斯、康普顿等人的推荐下，格罗夫斯请奥本海默负责这一工作。为了使原子弹研究计划能够顺利完成，根据奥本海默的建议，军事当局决定建立一个新的快中子反应和原子弹结构研究基地，这就是后来闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室。奥本海默凭着他的才能与智慧，以及他对于原子弹的深刻洞察力，被任命为洛斯阿拉莫斯实验室主任。正是由于这样一个至关重要的任命，才使他在日后赢得了美国“原子弹之父”的称号。
奥本海默开始时对困难估计不足，认为只要6名物理学家和100多名工程技术人员就足够了。但实验室到1940年12月时，发展到拥有2000多名文职研究人员和3000多名军事人员，其中包括1000多名科学家。
鉴于大多数科学家都反对实验室的军事化，格罗夫斯同意加州大学成为洛斯阿拉莫斯名义上的管理单位和合同保证单位，基地的军队负责实验室建设、后勤供应和安全保障。这就保证了实验室内部的自由学术讨论。奥本海默鼓励科学家们大胆地讨论原子弹的有关科学问题，提出即使看门人的意见，也会对原子弹的成功有一定的帮助。奥本海默注意倾听任何人的意见，掌握着整个实验进程。
他们自己甚至都不如奥本海默清楚自己工作的细节和进展。在很多问题上，都是由于奥本海默的决断才取得突破，保证了原子弹研制时间表的执行。奥本海默在科学家、普通职工和政府官员中的威望越来越高。洛斯阿拉莫斯素有“诺贝尔奖获得者集中营”之誉，人们称奥本海默为这个集中营的“营长”。奥本海默没有获过诺贝尔奖，却拥有如此高的个人威望，他的组织才能与人格魅力由此可见一斑。
在“曼哈顿工程区”工作的15万人当中，只有12个人知道全盘的计划。这十二个人就是德国间谍的目标，可是要想进入戒备森严的“曼哈顿工程区”谈何容易，但是方法是人想出来的，必要的时候就算牺牲几名混入的工程师间谍也是可以的，这种情况是在别无他法的时候才使用，混入“曼哈顿计划”的工程师间谍还是不要暴露的好。
其实，全体人员中很少有人知道他们是在从事制造原子弹的工作。例如，洛斯阿拉莫斯计算中心长时期内进行复杂的计算，但大部分工作人员不了解这些工作的实际意义。由于他们不知道工作目的，所以也就不可能使他们对工作发生真正的兴趣。此后，这里的工作达到了高潮，并且有许多工作人员自愿留下来加班加点。经过全体人员的艰苦努力，原子弹的许多技术与工程问题得到解决。
刚开始英国和美国是在核能方面有信息交流，但并没有合作。1940年，布什和柯南特邀请英国加入以加强这个项目的力量，但英国果断拒绝了。因为他们不愿分享他们领先的技术，也不愿帮助美国去发展他们的核武器。但是由于英国没有美国那么足够充裕的人力和物力，亦不甘落伍于美国之后。在1940年7月30日，丘吉尔和罗斯福在原子合作上做了一个非正式、不成文的协议。
然而这种平等的伙伴关系没有持续多久。1940年8月，英国在没有支付任何资金的情况下要求实质性控制这个项目，遭到美国拒绝。英美两国之间的关系发生了逆转。英国的谈判地位恶化，美国科学家也决定不再接受任何的外来帮助。美国核政策委员也担心英国会制造战时的核武器。
1940年9月，柯南特冒着会暴露武器设计机密的风险去邀请詹姆斯？查德威克和其他几位英国科学家来洛杉矶参与原子弹设计，因为这个项目非常需要他们这类技术人员。1940年10月，丘吉尔和罗斯福签订了魁北克协议，这个协议恢复了双方的科学家在科研问题上互相合作的问题。美国在这个项目上已经投入了超过10亿美元，而英国的投入仅50万英镑。
一块告示鼓励橡树岭工人们保密，以英文写着：“在此的所见、所作、所闻，当你离开时，请留在这里。”
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