w niskich temperaturach i pod ciśnieniem do około 400 GPa, Wodór tworzy szereg faz stałych utworzonych z dyskretnych cząsteczek H2. Faza I występuje w niskich temperaturach i ciśnieniach i składa się z sześciokątnej, zamkniętej matrycy swobodnie obracających się cząsteczek H2. Po zwiększeniu ciśnienia w niskiej temperaturze następuje przejście do fazy II przy ciśnieniu do 110 GPa. Faza II jest strukturą o Łamanej symetrii, w której cząsteczki H2 nie są już w stanie swobodnie się obracać. Jeśli ciśnienie jest dalej zwiększane w niskiej temperaturze, występuje faza III przy około 160 GPa. Po zwiększeniu temperatury przejście do fazy IV następuje w temperaturze kilkuset kelwinów w zakresie ciśnień powyżej 220 GPa.

Identyfikacja struktur atomowych różnych faz cząsteczkowego stałego wodoru jest niezwykle trudna, ponieważ atomy wodoru oddziałują z promieniami rentgenowskimi bardzo słabo i tylko małe próbki stałego wodoru mogą być osiągnięte w komórkach Kowadła diamentowego, tak że dyfrakcja rentgenowska dostarcza bardzo ograniczonych informacji o strukturach. Niemniej jednak, przejścia fazowe mogą być wykrywane przez poszukiwanie nagłych zmian w widmach Ramana próbek. Ponadto struktury atomowe można wywnioskować z kombinacji eksperymentalnych widm Ramana i modelowania pierwszych zasad. Obliczenia teorii funkcjonalnej gęstości zostały wykorzystane do wyszukiwania kandydujących struktur atomowych dla każdej fazy. Te struktury kandydujące mają niskie wolne energie i widma Ramana w zgodzie z widmami eksperymentalnymi. Kwantowe metody Monte Carlo wraz z pierwszym traktowaniem anharmonicznych efektów wibracyjnych zostały następnie wykorzystane do uzyskania względnych energii wolnych od Gibbsa tych struktur, a tym samym do uzyskania teoretycznego diagramu fazy ciśnienie-temperatura, który jest w rozsądnej ilościowej zgodzie z eksperymentem. Na tej podstawie uważa się, że faza II jest strukturą molekularną symetrii P21/c; Faza III jest (lub jest podobna) strukturą symetrii C2 / C składającą się z płaskich warstw cząsteczek w zniekształconym układzie sześciokątnym; faza IV jest (lub jest do niej podobna) strukturą symetrii Pc, składającą się z naprzemiennych warstw silnie związanych cząsteczek i słabo związanych arkuszy grafenopodobnych.