při nízkých teplotách a při tlacích do přibližně 400 GPa tvoří vodík řadu pevných fází vytvořených z diskrétních molekul H2. Fáze I se vyskytuje při nízkých teplotách a tlacích a skládá se z hexagonálního těsného pole volně rotujících molekul H2. Po zvýšení tlaku při nízké teplotě dochází k přechodu do fáze II až do 110 GPa. Fáze II je struktura se zlomenou symetrií, ve které se molekuly H2 již nemohou volně otáčet. Pokud se tlak dále zvyšuje při nízké teplotě, objeví se fáze III při přibližně 160 GPa. Po zvýšení teploty dochází k přechodu do fáze IV při teplotě několika set Kelvinů v rozsahu tlaků nad 220 GPa.

Určení atomové struktury různých fázích molekulární pevné vodík je extrémně náročné, protože atomy vodíku komunikovat s X-paprsky velmi slabě a pouze malé vzorky pevné vodík může být dosaženo v diamond anvil buňky, tak, že X-ray difrakce poskytuje velmi omezené informace o struktur. Fázové přechody však mohou být detekovány hledáním náhlých změn v ramanových spektrech vzorků. Dále, atomové struktury lze odvodit z kombinace experimentálních ramanových spekter a modelování prvních principů. Výpočty hustoty funkční teorie byly použity k hledání kandidátských atomových struktur pro každou fázi. Tyto kandidátské struktury mají nízké volné energie a Ramanova spektra v souladu s experimentálními spektry. Kvantové metody Monte Carlo společně s první-zásady léčby anharmonic vibrační efekty pak byly použity k získání relativní Gibbsova volná energie těchto struktur, a tím získat teoretický tlak-teplota fázového diagramu, který je v rozumné kvantitativní shodě s experimentem. Na tomto základě, Fáze II je věřil být molekulární strukturu P21/c symetrie; Fáze III je (nebo podobné) struktury C2/c symetrie, skládající se z plochých vrstev molekul ve zkreslené hexagonální uspořádání; a fáze IV je (nebo je podobná) struktuře symetrie Pc, sestávající z alternativních vrstev silně vázaných molekul a slabě vázaných grafenových listů.