À basse température et à des pressions allant jusqu’à environ 400 GPa, l’hydrogène forme une série de phases solides formées à partir de molécules discrètes de H2. La phase I se produit à de basses températures et pressions et consiste en un réseau hexagonal de molécules H2 en rotation libre. En augmentant la pression à basse température, une transition vers la phase II se produit jusqu’à 110 GPa. La phase II est une structure à symétrie brisée dans laquelle les molécules H2 ne peuvent plus tourner librement. Si la pression est encore augmentée à basse température, on rencontre une phase III à environ 160 GPa. En augmentant la température, une transition vers une phase IV se produit à une température de quelques centaines de kelvins dans une plage de pressions supérieure à 220 GPa.

L’identification des structures atomiques des différentes phases de l’hydrogène solide moléculaire est extrêmement difficile, car les atomes d’hydrogène interagissent très faiblement avec les rayons X et seuls de petits échantillons d’hydrogène solide peuvent être obtenus dans les cellules de l’enclume au diamant, de sorte que la diffraction des rayons X fournit des informations très limitées sur les structures. Néanmoins, les transitions de phase peuvent être détectées en recherchant des changements brusques dans les spectres Raman des échantillons. De plus, les structures atomiques peuvent être déduites d’une combinaison de spectres Raman expérimentaux et de modélisation des premiers principes. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont été utilisés pour rechercher des structures atomiques candidates pour chaque phase. Ces structures candidates ont de faibles énergies libres et des spectres Raman en accord avec les spectres expérimentaux. Des méthodes quantiques de Monte Carlo ainsi qu’un traitement des effets vibratoires anharmoniques des premiers principes ont ensuite été utilisés pour obtenir les énergies libres de Gibbs relatives de ces structures et donc pour obtenir un diagramme de phase pression-température théorique qui est en accord quantitatif raisonnable avec l’expérience. Sur cette base, la phase II est considérée comme une structure moléculaire de symétrie P21 / c; La phase III est (ou est similaire à) une structure de symétrie C2 / c constituée de couches plates de molécules dans un agencement hexagonal déformé; et la phase IV est (ou est similaire à) une structure de symétrie Pc, constituée de couches alternées de molécules fortement liées et de feuilles de type graphène faiblement liées.