ナノオペレータは原子と分子の正確な操作を実現し、核心は特殊な物理効果と精密な制御技術を借りて、マクロ操作の限界を突破し、ナノスケール、さらには原子スケールに深く入り込んで作業を行うことにある。その鍵となる原理は、ファンデルワールス力、静電気力などの原子間の相互作用力、および先進的な探査とフィードバックメカニズムを利用して、各ステップの操作が正確で間違いないことを確保することである。​

具体的な技術から見ると、走査トンネル顕微鏡（STM）技術は重要な手段の一つである。STMの針先は極めて鋭く、数個から1個の原子だけで構成されている。針の先端が操作された原子や分子の表面から非常に近い（通常はナノメートルスケール）場合、トンネル電流が発生する。針先とサンプル表面の距離を正確に制御し、針先と原子間のファンデルワールス力や静電気力を利用することで、原子を「つかむ」ことや「動かす」ことができる。例えば、科学者はSTM技術を利用して、銅の表面でキセノン原子を1つずつ移動させ、「IBM」の3文字を並べ、原子レベルの正確な操作を直感的に示したことがある。​

原子間力顕微鏡（AFM）技術は別の一般的な方法である。AFMは針先と試料表面原子間の相互作用力を検出することにより表面形態情報を取得し、操作を実現する。STMと異なり、AFMは導電性試料上で動作するだけでなく、絶縁性試料にも使用できる。操作中、AFM針先は原子と接触または接近し、針先の力の大きさと方向を制御することで、原子または分子を指定された位置に押し出す。例えばナノデバイスを構築する際、科学研究者はAFMを利用して特定の分子を基板上に精密に配置し、高性能ナノ電子部品を製造するための基礎を築いた。​

また、光ピンセット技術も重要な役割を果たしている。それはレーザービームによって形成された勾配光場によって発生した放射圧力を利用して、ピンセットのように微小粒子を捕獲し、操作して、原子と分子を含む。光ピンセットは非接触式操作の利点があり、操作対象に物理的な損傷を与えることを避けることができる。生物分野では、光ピンセットはDNAの折り畳みと伸展過程を研究するなど、生物分子を正確に操作し、科学者が生命の奥義を深く探索するのを助けることができる。​

ナノオペレータによる原子と分子の正確な操作は、物理学、材料科学、精密機械工学など多くの分野に関連する多学科交差融合の成果である。技術の絶えずの進歩に伴い、その制御精度と効率はまた持続的に向上し、将来的には量子計算、新型材料の製造、精密医療などの分野でより重要な役割を発揮し、人類がミクロ世界を探索し、科学技術の発展を推進するために新たな道を切り開くことが期待されている。