Od 1950 jest ponownie w Mayo Clinic, gdzie w latach pięćdziesiątych usprawnił zastosowanie sztucznego płuco-serca (skonstruowanego przez Johna Heyshama Gibbona, który z jej zastosowaniem wykonał w 1953 pierwszą operację na otwartym sercu u człowieka, ale w międzyczasie z powodu niepowodzeń przy następnych operacjach zarzucił tę metodę), tak dalece, że mogło być używane standardowo podczas operacji na otwartym sercu. Jest współtwórcą oksygenatora i pompy (Mayo-Gibbon-Pump-Oxygenator). Przy użyciu zmodyfikowanego sztucznego płucoserca przeprowadził w 1955 serię udanych operacji na otwartym sercu, co utorowało drogę kardiochirurgii w Mayo Clinic. Wraz z pojawieniem się technik wspomagania krążenia i natleniania krwi, przy użyciu techniki krążenia skrzyżowanego Waltona Lilleheia lub zmodyfikowanej maszyny płuco-serce Gibbona przez Johna Kirklina, zespoły kardiochirurgiczne Uniwersytetu Minnesoty i Kliniki Mayo przodowały i przeprowadziły wiele pierwszych wewnątrzsercowych napraw wrodzonych wad serca. Był pionierem w tworzeniu nowych technik operacyjnych w leczeniu wrodzonych wad serca (uznany specjalista w tym zakresie), zastawkowych wad serca i choroby wieńcowej. W 1960 zostaje mianowany profesorem i w 1964 dyrektorem chirurgii w Mayo Clinic.