Le positronium est un système quasi-stable constitué d'un positron et d'un électron formant ensemble un « atome exotique ». Son ensemble de niveaux d'énergie est similaire à celui de l'atome d'hydrogène, constitué d'un électron et d'un proton (voir hydrogénoïde). Cependant, à cause de sa masse considérablement réduite, les fréquences associées aux raies spectrales sont moins de la moitié de celles des lignes correspondantes de l'hydrogène. La demi-vie du positronium est tout au plus d'environ 100 nanosecondes, son existence se terminant avec une annihilation électron-positron.
Le positronium, comme l'hydrogène, existe en différentes configurations, son état fondamental pouvant être un singulet de spins antiparallèles (s=0, m=0) désigné sous le nom de parapositronium. L'autre cas est un triplet de spins parallèles (s=1, m=-1,0,1) désigné sous le nom d'orthopositronium.
Le dipositronium, noté Ps2, a été décrit pour la première fois en 1946. En 2007, des physiciens de l'Université de Californie ont annoncé avoir créé une molécule de dipositronium. Elle est donc composée de deux positrons et de deux électrons. Cette molécule a été créée en envoyant un flux de positrons, auparavant piégés, sur une couche mince de silicium poreux. La durée de vie du dipositronium est de l'ordre de la nanoseconde ce qui fait de lui une molécule très instable. Il se désintègre en émettant un rayonnement gamma. Ce phénomène pourrait être utilisé pour mettre au point de futurs lasers à rayons gamma, qui seraient beaucoup plus énergétiques que les lasers optiques actuels.