A basse temperature e a pressioni fino a circa 400 GPa, l’idrogeno forma una serie di fasi solide formate da molecole H2 discrete. La fase I si verifica a basse temperature e pressioni e consiste in una matrice esagonale chiusa di molecole H2 che ruotano liberamente. Aumentando la pressione a bassa temperatura, si verifica una transizione alla fase II fino a 110 GPa. La fase II è una struttura a simmetria spezzata in cui le molecole H2 non sono più in grado di ruotare liberamente. Se la pressione viene ulteriormente aumentata a bassa temperatura, si incontra una Fase III a circa 160 GPa. All’aumentare della temperatura, una transizione verso una fase IV avviene ad una temperatura di poche centinaia di kelvin ad una gamma di pressioni superiori a 220 GPa.

Identificare le strutture atomiche delle diverse fasi dell’idrogeno solido molecolare è estremamente difficile, perché gli atomi di idrogeno interagiscono con i raggi X molto debolmente e solo piccoli campioni di idrogeno solido possono essere raggiunti nelle cellule dell’incudine di diamante, in modo che la diffrazione dei raggi X fornisca informazioni molto limitate sulle strutture. Tuttavia, le transizioni di fase possono essere rilevate cercando bruschi cambiamenti negli spettri Raman dei campioni. Inoltre, le strutture atomiche possono essere dedotte da una combinazione di spettri Raman sperimentali e modelli di primi principi. I calcoli della teoria funzionale della densità sono stati utilizzati per cercare strutture atomiche candidate per ogni fase. Queste strutture candidate hanno basse energie libere e spettri Raman in accordo con gli spettri sperimentali. I metodi quantistici Monte Carlo insieme ad un trattamento di primo principio degli effetti vibrazionali anarmonici sono stati quindi utilizzati per ottenere le relative energie libere di Gibbs di queste strutture e quindi per ottenere un diagramma di fase teorico pressione-temperatura che è in ragionevole accordo quantitativo con l’esperimento. Su questa base, si ritiene che la fase II sia una struttura molecolare di simmetria P21 / c; La fase III è (o è simile a) una struttura di simmetria C2/c costituita da strati piatti di molecole in una disposizione esagonale distorta; e la fase IV è (o è simile a) una struttura di simmetria Pc, costituita da strati alternati di molecole fortemente legate e fogli di grafene debolmente legati.