低温および約400GPaまでの圧力で、水素は離散的なH2分子から形成された一連の固相を形成する。 相Iは、低温および圧力で発生し、自由に回転するH2分子の六角形の密充填アレイで構成されています。 低温で圧力を上昇させると、最大110GPaで相IIへの遷移が起こる。 第II相は、h2分子がもはや自由に回転することができない対称性の破れた構造である。 低温で圧力がさらに上昇すると、約１ ６ ０Ｇｐａで第ＩＩＩ相に遭遇する。 温度を上昇させると、220GPaを超える圧力範囲で数百ケルビンの温度で第IV相への遷移が起こる。

分子固体水素の異なる相の原子構造を同定することは、水素原子がX線と非常に弱く相互作用し、固体水素の小さなサンプルのみがダイヤモンドアンビルセルで達成できるため、x線回折は構造に関する非常に限られた情報を提供するため、非常に困難である。 それにもかかわらず、相転移は、試料のラマンスペクトルの急激な変化を探すことによって検出することができる。 さらに，実験的ラマンスペクトルと第一原理モデリングの組み合わせから原子構造を推論することができる。 密度汎関数理論の計算を用いて，各相の候補原子構造を探索した。 これらの候補構造は実験スペクトルと一致して低い自由エネルギーとＲａｍａｎスペクトルを持っていた。 量子モンテカルロ法と非調和振動効果の第一原理処理を用いて，これらの構造の相対Ｇｉｂｂｓ自由エネルギーを求め，実験と合理的に定量的に一致する理論的圧力-温度相図を得た。 これに基づいて、第II相はP21/c対称性の分子構造であると考えられており、第III相は歪んだ六角形の配列の分子の平らな層からなるC2/c対称性の構造である（またはそれに類似している）。; そして、第IV相は、強く結合した分子と弱く結合したグラフェン様シートの交互の層からなるPc対称性の構造である（またはそれに類似している）。