la temperaturi scăzute și la presiuni de până la aproximativ 400 GPa, hidrogenul formează o serie de faze solide formate din molecule H2 discrete. Faza I are loc la temperaturi și presiuni scăzute și constă dintr-o gamă hexagonală strânsă de molecule H2 care se rotesc liber. La creșterea presiunii la temperatură scăzută, o tranziție la faza II are loc la până la 110 GPa. Faza II este o structură de simetrie ruptă în care moleculele H2 nu mai sunt capabile să se rotească liber. Dacă presiunea este crescută în continuare la temperatură scăzută, se întâlnește o fază III la aproximativ 160 GPa. La creșterea temperaturii, o tranziție la o fază IV are loc la o temperatură de câteva sute de kelvin la o gamă de presiuni peste 220 GPa.identificarea structurilor atomice ale diferitelor faze ale hidrogenului solid molecular este extrem de dificilă, deoarece atomii de hidrogen interacționează foarte slab cu razele X și numai probe mici de hidrogen solid pot fi obținute în celulele nicovale diamantate, astfel încât difracția cu raze X oferă informații foarte limitate despre structuri. Cu toate acestea, tranzițiile de fază pot fi detectate căutând schimbări abrupte în spectrele Raman ale probelor. Mai mult, structurile atomice pot fi deduse dintr-o combinație de spectre Raman experimentale și modelarea primelor principii. Calculele teoriei funcționale a densității au fost utilizate pentru a căuta structuri atomice candidate pentru fiecare fază. Aceste structuri candidate au energii libere scăzute și Spectre Raman în acord cu spectrele experimentale. Metodele cuantice Monte Carlo împreună cu un tratament de primă principiu al efectelor vibraționale anarmonice au fost apoi utilizate pentru a obține energiile libere Gibbs relative ale acestor structuri și, prin urmare, pentru a obține o diagramă teoretică de fază presiune-temperatură care este în acord cantitativ rezonabil cu experimentul. Pe această bază, se crede că faza II este o structură moleculară de simetrie P21/c; faza III este (sau este similară) cu o structură de simetrie C2 / c constând din straturi plate de molecule într-un aranjament hexagonal distorsionat; și faza IV este (sau este similară) cu o structură de simetrie Pc, constând din straturi alternative de molecule puternic legate și foi asemănătoare grafenului slab legate.