bij lage temperaturen en bij druk tot ongeveer 400 GPa vormt waterstof een reeks vaste fasen die worden gevormd uit discrete H2-moleculen. Fase I komt bij lage temperaturen en druk voor, en bestaat uit een zeshoekige close-packed array van vrij roterende H2 molecules. Bij het verhogen van de druk bij lage temperatuur, vindt een overgang naar Fase II plaats bij maximaal 110 GPa. Fase II is een gebroken symmetriestructuur waarin de H2 moleculen niet meer vrij kunnen draaien. Als de druk verder wordt verhoogd bij lage temperatuur, wordt een Fase III aangetroffen bij ongeveer 160 GPa. Bij het verhogen van de temperatuur, een overgang naar een Fase IV vindt plaats bij een temperatuur van een paar honderd kelvin bij een bereik van druk boven 220 GPa.

Het identificeren van de atomaire structuren van de verschillende fasen van moleculair vaste waterstof is een grote uitdaging, omdat waterstofatomen zeer zwak interageren met röntgenstralen en slechts kleine monsters van vaste waterstof kunnen worden bereikt in diamanten aambeeldcellen, zodat röntgendiffractie zeer beperkte informatie geeft over de structuren. Niettemin, kunnen faseovergangen worden ontdekt door abrupte veranderingen in de ramanspectra van steekproeven te zoeken. Bovendien kunnen atomaire structuren worden afgeleid uit een combinatie van experimentele Raman spectra en first-principles modellering. Berekeningen van de dichtheidsfunctionaliteitstheorie zijn gebruikt om te zoeken naar kandidaat-atomaire structuren voor elke fase. Deze kandidaatstructuren hebben lage vrije energieën en Raman spectra in overeenstemming met de experimentele spectra. Quantum Monte Carlo methoden samen met een first-principles behandeling van anharmonische trillingseffecten zijn vervolgens gebruikt om de relatieve Gibbs vrije energieën van deze structuren te verkrijgen en dus om een theoretisch druk-temperatuur fasediagram te verkrijgen dat in redelijke kwantitatieve overeenstemming is met experiment. Op basis hiervan wordt aangenomen dat Fase II een moleculaire structuur van P21 / C symmetrie is; Fase III is (of is vergelijkbaar met) een structuur van C2/c symmetrie bestaande uit platte lagen van moleculen in een vervormde hexagonale regeling; en Fase IV is (of is vergelijkbaar met) een structuur van Pc symmetrie, bestaande uit alternatieve lagen van sterk gebonden moleculen en zwak gebonden grafeen-achtige platen.